基于电机振动信号的轨道交通牵引逆变器故障分析

孙哲明

摘 要 当前我国的轨道交通行业正在朝着智能、高速的方向发展，轨道交通的安全运行也是一项重点研究对象。牵引逆变器作为车辆电力牵引的关键部件，其能量的转换将会对车辆运行造成直接影响，所以牵引逆变器的故障诊断与运行的安全性和稳定性有着直接关聯。文章基于电机振动信号的角度来对于轨道交通牵引逆变器故障进行分析。

关键词 电机振动信号;故障;牵引逆变器;轨道交通

在轨道交通技术发展过程中，其结构越来越复杂、精细，如何保障轨道交通车辆的安全运行成为一项关注重点，这对于轨道交通车辆实施故障诊断的研究十分重要。

1三电平逆变器故障

逆变器在运行过程中，如果出现无法继续运行的情况，逆变器的输出信号将会发生改变，而变化明显超出正常范围，就意味着逆变器发生故障。其中功率开关器件IGBT是电路结构中最容易发生故障的部分[1]。

牵引逆变器电路在工作中，功率开关器件IGBT常处于高频、高压状态，损耗较大，发热较多，十分容易发生故障，而短路、断路是出现次数最多的故障类型。其中断路故障还会表现为开路故障，短路发生时会产生过流保护，而开路故障时则没有电流，因此对于该故障进行检测诊断存在一定困难。另一方面，开路故障将导致逆变器主电路桥臂无电压输出，从而降低交流侧输出电压值，输出电压不稳定还会导致负载工作发生异常。所以基于故障问题，可以选择将故障模式设置为IGBT的断路故障，从而使故障的检测方向更加清晰明确。

在只考虑短路与断路故障时，每个IGBT都可以产生两种故障状态。而三电平逆变器的每一个桥臂都是由四个IGBT组成，具有结构对称性特点，同时同一逆变器上多个IGBT同时发生故障的可能性非常小，因此我们在研究故障时可将其简化，只需考虑同一逆变器上的一个、两个功率开关器件故障即可[2]。

2传动系统中牵引逆变器故障的仿真分析

鉴于逆变器工作时并不能实际观测，所以对故障状态实施仿真尤为关键。通过研究牵引逆变器故障仿真，可以得到故障发生时的特征信号，输出的电压与电流信号均会存在异常情况。

基于轨道交通传动系统的牵引逆变器电路结构、工作原理等，利用Simulink来建模，并与牵引逆变器的故障相结合进行不同故障模型的搭建。同时，在进行仿真分析的过程中，通过对各种故障模式开展分析，然后选择具有代表性的模式，将其简化后保障信息的可靠性和真实性。而在进行故障分析的过程中，其电路结构、仿真算法、仿真时间、采样频率等均具有紧密关联。

牵引逆变器故障主要由于IGBT故障导致，因此在实际运行中未得到内部信息的情况下，可对逆变器输出端的电流、电压进行检测，同时对逆变器内部结构的故障进行诊断，将牵引电机简化为电阻电感电路。根据牵引逆变器的电路模型，可以将逆变器电路故障形式对其进行故障仿真分析。例如，一个IGBT发生或是故障，如下图一所示为其交流侧电流仿真，基于IGBT故障导致的牵引逆变器故障，那么交流侧输出电压与电流的信号波形将会出现变化。从图中（a）可以看到电流波形存在失真，并且不是标准的正弦波，而利用FFT模块能够对电流仿真波形实现快速傅里叶变换，基于仿真图分析，在这一阶段中，IGBT出现故障时，电流THD为23.15%、9.73%、10.07%。而图中（b）基于故障时逆变系统的仿真结果，逆变器交流侧输出电压与电流信号发生的变化相对较大，电流波形存在着非常严重的失真情况。基于FFT分析，电流THD依次为54.36%、15.95%以及17.3%。

3电机振动信号与轨道交通传动系统牵引逆变器故障

在搭载交流异步电机时，牵引逆变器给电机输入电流中的谐波成分会随之进入电机中，并对电机运转产生影响。输入电流中由于具有各次谐波信号，所以会通过电磁作用产生电磁力或电磁转矩。电机的励磁电源输出的电流中含有多种谐波，通过电磁作用将会生成不同的电磁力，而这些谐波电磁力都能通过谐波等效电路计算得到。在进行计算的过程中，主要考虑5、7、11、13次谐波这类影响较大的谐波电磁转矩。在电磁作用下，各次波电流产生的磁场转速和方向均是不固定的，而基波产生的磁场为固定的。经过分析研究谐波与基波电流磁场间作用转矩关系，能够得出基波磁场与电流中的转矩频率，而这些转矩会导致电机异常振动。

牵引逆变器在工作情况下，无法实现故障的实时监测，只能通过监测输出特征信号来进行诊断。而牵动电机的振动信号可以对特征信号直接监测，所以将其与逆变器结合，基于牵引电机的实时振动信号，可以对逆变器的故障实现诊断[3]。

4结束语

综上所述，通过检测牵引电机振动信号来诊断牵引逆变器是否故障是一个简单、有效的方式，可以更大程度的保障逆变器的正常稳定运行。

参考文献

[1] 施以旋.基于电机振动信号分析的牵引逆变器故障诊断研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[2] 曹琳，叶娜，李萍，等.半实物仿真技术在轨道交通用IGBT寿命预测中的应用[J].机车电传动，2019（5）：59-62.

[3] 吴浩，王泉，王睿轶，等.城市轨道交通车辆系统牵引逆变器专用测试平台研究[J].城市轨道交通研究，2017，20（12）：83-86.