動車組牽引電機斷條故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬 杰 朱忠煥 牟 楊

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)的飛速發(fā)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(shè)備。我國動車組采用交流傳動方式進行機電能力轉(zhuǎn)換，動車組牽引電機作為能量轉(zhuǎn)換和核心部件，對于動車組的正常運行起著關(guān)鍵作用，交流異步電動機由于其體積小、維修方便等優(yōu)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(huán)境差，受環(huán)境、振動影響大，容易發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條、軸承損傷、絕緣破壞等故障，特動車組根據(jù)故障的電流及熱力學(xué)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(zhuǎn)子斷條故障是一個漸進過程，一般由轉(zhuǎn)子端環(huán)裂紋或者轉(zhuǎn)子瘦條開始，如果不采用措施，產(chǎn)生的不平衡轉(zhuǎn)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(yù)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(tài)早期故障進行檢測，特別是轉(zhuǎn)子斷條故障，使對牽引電動機的定期檢修逐步過渡到狀態(tài)修，是目前需要研究的問題。

1 轉(zhuǎn)子斷條故障

1.1 牽引電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

動車組牽引電機轉(zhuǎn)子采用鼠籠式轉(zhuǎn)子耐高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯由0.2 mm的硅鋼板疊裝而成。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用固有電阻大、強度高的銅鋅合金（黃銅）轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。采用銅質(zhì)導(dǎo)條與特殊銅合金端環(huán)焊接而成[2]。

1.2 轉(zhuǎn)子斷條原因分析

圖1 動車組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

動車組牽引電機轉(zhuǎn)子采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，其銅合金的端環(huán)和導(dǎo)條一般采用中頻感應(yīng)加熱釬焊的方法進行連接，釬焊過程因排氣設(shè)計不同容易出現(xiàn)氣孔類缺陷，這些缺陷對轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電性能和機械強度會產(chǎn)生不好的影響，容易在導(dǎo)條和端環(huán)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(fù)受到變化的扭曲力、電磁力、離心力和熱應(yīng)力等作用，極易發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障。

2 動車組啟動加速區(qū)轉(zhuǎn)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(qū)和恒功率區(qū)，啟動加速區(qū)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(qū)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(qū)匝間短路故障頻率特征

目前，對牽引電機轉(zhuǎn)子斷條的主要方法是根據(jù)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(zhuǎn)差率，fb為故障頻率特征。根據(jù)故障特征頻率的電流信號強度，可以判斷轉(zhuǎn)子斷條的嚴重程度。在變頻調(diào)速中，由于f和s不斷變化，制約了該種方法在變頻調(diào)速電機中轉(zhuǎn)子斷條故障檢測的應(yīng)用。

牽引電機的恒磁通運行條件下的輸出電磁轉(zhuǎn)矩為[4]：

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

若忽略動車組啟動加速區(qū)的牽引電機參數(shù)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(tǒng)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(zhuǎn)矩條件下，轉(zhuǎn)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(cè)瞬時功率分析

動車組牽引變流器將主變壓器二次側(cè)電壓經(jīng)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(cè)線電壓，其表達式為：

當(dāng)牽引電機發(fā)生轉(zhuǎn)子斷條故障時，整流器一次側(cè)瞬時功率為[5]：

從公式6易得，動車組整流器一次側(cè)瞬時功率中，牽引電機轉(zhuǎn)子故障特征頻率轉(zhuǎn)化為（ 2sf0、2sf1± 2sf0），選取 2sf0，作為轉(zhuǎn)子故障判斷依據(jù)。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(zhuǎn)子的故障檢測，通過檢測固整流器一次側(cè)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(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)動車組工作在恒磁通狀態(tài)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子斷條故障診斷的實現(xiàn)原理圖。

圖4 牽引電機斷條故障監(jiān)測系統(tǒng)

5 結(jié)論

與工頻供電的感應(yīng)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(qū)為恒磁通、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間。根據(jù)該特點，結(jié)合鼠籠式異步電動機以f b=(1 ±2s)f0為轉(zhuǎn)子斷條故障特征結(jié)論，通過轉(zhuǎn)矩公式得出該區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)化到整流器一次側(cè)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(zhuǎn)子斷條故障進行檢測。