牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入實(shí)現(xiàn)

尹進(jìn)田，劉 麗，李 輝，付國(guó)龍，彭志華

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入實(shí)現(xiàn)

尹進(jìn)田1,2，劉 麗1,2，李 輝1,2，付國(guó)龍1，彭志華1,2

（1. 邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南邵陽(yáng) 422000；2. 邵陽(yáng)學(xué)院，多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南邵陽(yáng) 422000）

針對(duì)高速列車牽引電機(jī)故障模擬不能在真實(shí)列車上進(jìn)行的特殊性，提出一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入方法，通過建立牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障與等效電路參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種故障注入器模擬轉(zhuǎn)子斷條故障。在高速列車半實(shí)物仿真平臺(tái)上測(cè)試了不同故障程度下的故障注入結(jié)果，驗(yàn)證了所提轉(zhuǎn)子斷條故障注入方法的有效性。

等效電路參數(shù) 轉(zhuǎn)子斷條 故障注入器 半實(shí)物仿真平臺(tái)

0 引言

高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引電機(jī)是故障發(fā)生較多、危及行車安全較大的部件，對(duì)其進(jìn)行故障研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1～2]。根據(jù)牽引電機(jī)組成，可將故障分為：轉(zhuǎn)子部分故障，定子部分故障，軸承故障及氣隙偏心等[3]。其中，轉(zhuǎn)子斷條故障是牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子部分故障中的典型，其發(fā)生概率高達(dá)牽引電機(jī)總故障的10%，因此研究牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障顯得非常重要。

高速列車具有不能在實(shí)際運(yùn)行列車上進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)的特殊性，為確保列車運(yùn)行的安全可靠，同時(shí)降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車上調(diào)試時(shí)間、減少驗(yàn)證時(shí)間，所有車載技術(shù)在投入運(yùn)行使用之前，都必須通過實(shí)驗(yàn)室的仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證[4]?，F(xiàn)有的高速列車應(yīng)用驗(yàn)證平臺(tái)主要有半實(shí)物仿真平臺(tái)和車載試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，大多以模擬、仿真的方式驗(yàn)證高速列車正常運(yùn)行行為和故障情況。

故障注入是進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證及測(cè)試安全的重要基礎(chǔ)和技術(shù)手段[5]。自20世紀(jì)90年代引起工程設(shè)計(jì)人員和科研工作者的重視起，故障注入的研究及應(yīng)用逐漸廣泛和深入[6]，但對(duì)牽引電機(jī)的故障注入研究卻非常少。牽引電機(jī)故障注入就是用來模擬牽引電機(jī)可能發(fā)生的故障情況，然后通過辨識(shí)方法將故障類型診斷出來。在實(shí)際運(yùn)行中通過此方法可以提前對(duì)列車牽引電機(jī)運(yùn)行狀況做出判斷，進(jìn)而減少事故發(fā)生，有效降低列車故障率，消除安全威脅，降低維修成本。因此，開展逼近真實(shí)故障的注入方法研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

故障注入有多種不同的分類方法，如按實(shí)現(xiàn)方法、故障的抽象級(jí)別、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境等均可進(jìn)行分類，其中，按故障注入的實(shí)現(xiàn)方法，可分為模擬實(shí)現(xiàn)、硬件實(shí)現(xiàn)、軟件實(shí)現(xiàn)、重離子輻射誘發(fā)、電源干擾影響和激光實(shí)現(xiàn)的故障注入等[7]。本文建立了鼠籠式牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障與參數(shù)變化之間的定量關(guān)系，提出了一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入方法。最后，利用該方法在牽引電機(jī)傳動(dòng)仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)故障注入器的有效性及方法的正確性。

1 轉(zhuǎn)子斷條故障注入器設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子斷條故障注入器模型

牽引電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障時(shí)，可采用多回路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬[8～9]，但方法較復(fù)雜、難以理解。而繞線式異步電動(dòng)機(jī)與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)模型在一定條件下可以等效，并且繞線式異步電動(dòng)機(jī)模型轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)放在電動(dòng)機(jī)里面與串接在電動(dòng)機(jī)外面可以等效[10]。正常牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子三相為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，假定A相中某一根導(dǎo)條發(fā)生斷條故障，此時(shí)轉(zhuǎn)子A相分成故障導(dǎo)條和正常導(dǎo)條兩部分，如圖1所示。

圖1 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子斷條示意圖

因此，在繞線式異步電動(dòng)機(jī)模型轉(zhuǎn)子側(cè)任一一相中添加故障注入器破壞轉(zhuǎn)子三相平衡從而模擬鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障，如圖2所示。故障注入器由電阻組成，下面將從牽引電機(jī)T型等效電路參數(shù)出發(fā)，推導(dǎo)出故障注入器中電阻值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障程度變化而符合一定的定量關(guān)系。

圖2 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障模型

1.2 故障注入器阻值變化規(guī)律

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子正常時(shí)，把轉(zhuǎn)子側(cè)看成三相，則轉(zhuǎn)子相電阻值：

根據(jù)電機(jī)T型等效電路，將轉(zhuǎn)子電阻R折算到定子側(cè)得等效電阻R’：

式中：K為電壓變比；K為電流變比；m為定子相數(shù)；N為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；k為定子繞組系數(shù)，N為轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；k為轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)。

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)根斷條時(shí)轉(zhuǎn)子相電阻值：

由（1）（3）式可得：

同樣由T型等效電路，將轉(zhuǎn)子電阻R折算到定子側(cè)得等效電阻R’：

式中，K’為出現(xiàn)斷條故障后的電壓變比；K’出現(xiàn)斷條故障后的電流變比。

由（2）（5）式可得，當(dāng)轉(zhuǎn)子正常與斷條時(shí)轉(zhuǎn)子相電阻折算到定子側(cè)的變化量DR’為：

又因?yàn)楣收献⑷肫鞴收想娮杷游恢脼檗D(zhuǎn)子側(cè)，因此故障電阻DR為DR’反折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的值：

2 轉(zhuǎn)子斷條故障特征信息分析

當(dāng)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)牽引電機(jī)的供電頻率為時(shí)，電機(jī)定子繞組將在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生基波磁動(dòng)勢(shì)F，表達(dá)式為：

式中，K表示常數(shù)，與電機(jī)極對(duì)數(shù)及定子繞組相關(guān)；N表示定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；I表示定子電流；表示電機(jī)極對(duì)數(shù)（已知CRH2型牽引電機(jī)=2）；為初相角；為定子電流角頻率。

轉(zhuǎn)子在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)下產(chǎn)生與定子磁動(dòng)勢(shì)相平衡的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的大小與定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大小相等、方向相反，轉(zhuǎn)子基波磁動(dòng)勢(shì)F表示為：

式中，K表示常數(shù)，與電機(jī)極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)子繞組相關(guān)；N表示轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；I表示轉(zhuǎn)子電流。

3 故障注入試驗(yàn)及有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入器的有效性，根據(jù)CRH2型動(dòng)車組主電路搭建了牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)[12～13]，其主電路示意圖如圖3所示。

圖3 CRH2型高速列車主電路示意圖

根據(jù)CRH2中牽引電機(jī)參數(shù)，可計(jì)算出牽引電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電機(jī)參數(shù)和（7）式，可得CRH2型牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入器電阻值與斷條數(shù)之間關(guān)系為：

在仿真平臺(tái)上，用表1牽引電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了仿真研究，設(shè)定逆變器輸出基波頻率為50 Hz。仿真時(shí)測(cè)取了多組結(jié)果，但在此由于篇幅有限，只選取牽引電機(jī)嚴(yán)重故障程度(=5，DR=0.0865W)、一般故障程度（=2，DR=0.0282W）及轉(zhuǎn)子正常（=0，DR=0W）情況下分別帶滿載、輕載（50%負(fù)載）的試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 牽引電機(jī)滿載時(shí)轉(zhuǎn)矩圖

圖5 牽引電機(jī)滿載時(shí)電流頻域圖

圖6 牽引電機(jī)輕載時(shí)轉(zhuǎn)矩圖

圖7 牽引電機(jī)輕載時(shí)電流頻域圖

從圖4和圖6可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正常時(shí)，轉(zhuǎn)矩恒定不變；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條后，轉(zhuǎn)子三相電流不對(duì)稱，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了波動(dòng)，并且隨著故障程度的增加波動(dòng)幅度越大。由圖5和圖7可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條后，定子電流頻域圖中出現(xiàn)了頻率大小為(1±2s)的故障特征分量，且特征分量大小與斷條數(shù)目（即故障嚴(yán)重程度）及帶載情況有關(guān)。從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的故障注入器的有效性及注入方法的正確性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障注入方法。闡述了牽引電機(jī)故障注入的重要性，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子斷條模擬故障注入器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)不同程度的故障注入，在CRH2型高速列車仿真平臺(tái)上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，通過對(duì)電流頻域和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果分析，證明了轉(zhuǎn)子斷條模擬故障注入器設(shè)計(jì)方法的正確性。該方法通用、易操作，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1] Chen C L. Reshaping chinese space-economy through high-speed trains: opportunitiesand challenges[J]. Journal of Transport Geography, 2012, 22: 312-316.

[2] 尹進(jìn)田, 謝永芳, 陽(yáng)春華. 基于 RVMD 的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子初期斷條故障監(jiān)測(cè)[J]. 控制與決策, 2018, 33(3): 497-502.

[3] F Bento, A Adouni, ACP Muxiri, et al. On the risk of failure to prevent induction motors permanent damage, due to the short available time-to-diagnosis of inter-turn short-circuit faults[J]. IET Electric Power Applications, 2021, 15(1): 51-62.

[4] 萬林, 范明. 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的研究[J].鐵道通信信號(hào), 2010, 46(8): 71-74.

[5] 尹青, 蔡伯根, 上官偉, 茍晨曦. 故障注入方法在列車運(yùn)行控制仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào), 2013, 49 (1): 66-70.

[6] 孫峻朝, 王建瑩, 楊孝宗. 故障注入方法與工具的研究現(xiàn)狀[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2001, 1(22): 99-104.

[7] 程義, 莊毅, 曹子寧. 利用隨機(jī)森林的單粒子翻轉(zhuǎn)軟件故障注入方法[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 2021, 42(1): 1-8.

[8] 李俊卿, 任彥珍, 王棟. 雙饋感應(yīng)電機(jī)的多回路數(shù)學(xué)模型及其電感參數(shù)的計(jì)算[J]. 2016, (06): 5-10.

[9] Cruzsma. An active-reactive power method for the diagnosisof rotor faults in three-phase induction motors operating undertime-varying load conditions[J]. IEEE Transactions on EnergyConversion, 2012, 27(1): 71-84.

[10] 魏臻珠, 蔣建東, 蔡澤祥. 基于等效電路參數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障仿真[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2005, 25(9): 50-53.

[11] 祝洪宇, 胡靜濤, 高雷, 黃昊. Morlet小波解調(diào)制方法診斷鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2014, 18 (7): 31-36.

[12] 尹進(jìn)田, 謝永芳, 陳志文, 彭濤, 楊超. 基于故障傳播與因果關(guān)系的故障溯源方法及其在牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2020, 46, (1): 47-57.

[13] Yin Jintian, Xie Yongfang, Chen Zhiwen et al. Weak-fault diagnosis using state-transition- algorithm-based adaptive stochastic-resonance method[J]. Journal of Central south University, 2019, 26(7): 1910-1920.

Implement of Rotor BarBroken FaultInjection in TractionMotor

Yin Jintian1,2,Liu Li1,2, Li Hui1,2, Fu Guolong1,2, Peng Zhihua1,2

(1. School of Electrical Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422000,China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area, Shaoyang University, Shaoyang 422000, Hunan China)

TP15

A

1003-4862（2021）11-0009-04

2021-01-25

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020JJ4558）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110547057）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通[2021]197號(hào)第3385項(xiàng)）；湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016TP1023)。

尹進(jìn)田（1981-），男，副教授，博士，研究方向：牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)故障仿真與診斷。

劉麗（1984-），女，副教授，碩士，研究方向：檢測(cè)與自動(dòng)化技術(shù)。E-mail:yinjintian0115@163.com