動車組牽引電機斷條故障監測系統設計

馬 杰 朱忠煥 牟 楊

(遼寧鐵道職業技術學院1） 遼寧錦州 121000 沈陽動車段2） 遼寧沈陽 110000）

隨著我國高鐵技術的飛速發展，動車組保有量不斷增加，全部采用電力動車組作為載運設備。我國動車組采用交流傳動方式進行機電能力轉換，動車組牽引電機作為能量轉換和核心部件，對于動車組的正常運行起著關鍵作用，交流異步電動機由于其體積小、維修方便等優點，目前仍是動車組牽引電機的主要形式。由于動車組牽引電動的工作環境差，受環境、振動影響大，容易發生轉子斷條、軸承損傷、絕緣破壞等故障，特動車組根據故障的電流及熱力學特征進行故障判斷，并通過繼電器等硬件對故障電機切除的形式對故障電機進行保護[1]。牽引電機轉子斷條故障是一個漸進過程，一般由轉子端環裂紋或者轉子瘦條開始，如果不采用措施，產生的不平衡轉使故障逐步擴大，增加牽引電機的檢修成本，影響動車組正常運行。

目前，我國對動車組的牽引電機的檢修仍然是采用以定期的預防性修理為主，該種維修方式成本較高。如何在動車組運行過程中，對牽引電動機的運行狀態早期故障進行檢測，特別是轉子斷條故障，使對牽引電動機的定期檢修逐步過渡到狀態修，是目前需要研究的問題。

1 轉子斷條故障

1.1 牽引電機轉子結構

動車組牽引電機轉子采用鼠籠式轉子耐高速旋轉結構，轉子鐵芯由0.2 mm的硅鋼板疊裝而成。轉子導條采用固有電阻大、強度高的銅鋅合金（黃銅）轉子導條。采用銅質導條與特殊銅合金端環焊接而成[2]。

1.2 轉子斷條原因分析

圖1 動車組轉子結構

動車組牽引電機轉子采用鼠籠式結構，其銅合金的端環和導條一般采用中頻感應加熱釬焊的方法進行連接，釬焊過程因排氣設計不同容易出現氣孔類缺陷，這些缺陷對轉子的導電性能和機械強度會產生不好的影響，容易在導條和端環連接處造成斷條故障。

由于動車組牽引電機工作特點，其工作過程中電負荷和熱負荷高、高速運行、頻繁起停，電機的焊接部位會反復受到變化的扭曲力、電磁力、離心力和熱應力等作用，極易發生轉子斷條故障。

2 動車組啟動加速區轉子斷條故障頻率特征

2.1 動車組牽引特性

如圖2所示是典型動車組的牽引特性曲線，動車組牽引特性一般分為啟動加速區和恒功率區，啟動加速區過程中，通過矢量控制方式保持牽引電機磁通不變。到恒功率區時，牽引電機輸出功率為恒定值。

圖2 動車組牽引特性曲線

2.2 啟動加速區匝間短路故障頻率特征

目前，對牽引電機轉子斷條的主要方法是根據電機電流的時變頻譜上是否存在故障特征頻率[3]：

其中，f為供電電源頻率基頻，s為轉差率，fb為故障頻率特征。根據故障特征頻率的電流信號強度，可以判斷轉子斷條的嚴重程度。在變頻調速中，由于f和s不斷變化，制約了該種方法在變頻調速電機中轉子斷條故障檢測的應用。

牽引電機的恒磁通運行條件下的輸出電磁轉矩為[4]：

公式2中，m為相數，np為牽引電機極對數，CE為電動勢常數，mΦ 為磁通，Rr為轉子電阻，Lls為定子漏電感。fls為轉子的轉差頻率:

若忽略動車組啟動加速區的牽引電機參數變換，以CRH1動車組的牽引特性曲線為例，該過程中mΦ 為恒定值，由公式2可見，lsf在牽引控制系統的控制系，基本保持不變。將公式3帶入公式1中，得到：

由公式4可以得出，動車組在恒磁通和恒轉矩條件下，轉子故障特征表示為供電電源基頻與一個固定的差。

3 整流器一次側瞬時功率分析

動車組牽引變流器將主變壓器二次側電壓經過整流和逆變過程，為牽引電機供電，如圖2所示。uab為整流器輸入側線電壓，其表達式為：

當牽引電機發生轉子斷條故障時，整流器一次側瞬時功率為[5]：

從公式6易得，動車組整流器一次側瞬時功率中，牽引電機轉子故障特征頻率轉化為（ 2sf0、2sf1± 2sf0），選取 2sf0，作為轉子故障判斷依據。由動車組啟動加速過程分析可知，在該過程中，2sf0固定不變，因此對于加速過程中的牽引電機轉子的故障檢測，通過檢測固整流器一次側瞬時功率中 2sf0頻率分量即可。

圖3 動車組牽引變流器簡圖

4 牽引電機斷條故障監測系統設計

當動車組工作在恒磁通狀態時f0＜fN，fN為牽引電機的額定頻率，也是動車組恒磁通控制和恒電壓控制的轉折點。以MB-5120-A型動車組牽引電機為例，其f N=140Hz。故易得，對于該電機來講，其轉子斷條在瞬時功率中的故障特征頻率2fls＜2fN。對于頻率域特定的進行分析，可以采用小波分解[6-7]，圖4即為通過小波分解對轉子斷條故障診斷的實現原理圖。

圖4 牽引電機斷條故障監測系統

5 結論

與工頻供電的感應電機相比，動車組牽引電機使用間接式矢量控制，保證啟動加速區為恒磁通、恒轉矩區間。根據該特點，結合鼠籠式異步電動機以f b=(1 ±2s)f0為轉子斷條故障特征結論，通過轉矩公式得出該區間內轉差頻率fls保持定值。由于變頻器供電條件下輸入電機的電流頻率復雜，并且變流器輸出電流基波頻率f0難以測量，通過瞬時功率法，將故障特征頻率轉化到整流器一次側為2fls瞬時功率分量的檢測。可采用小波包對瞬時功率進行分解，從而對牽引電機轉子斷條故障進行檢測。