尹進田，劉 麗，李 輝，付國龍，彭志華

牽引電機轉子斷條故障注入實現(xiàn)

尹進田1,2，劉 麗1,2，李 輝1,2，付國龍1，彭志華1,2

（1. 邵陽學院電氣工程學院，湖南邵陽 422000；2. 邵陽學院，多電源地區(qū)電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南邵陽 422000）

針對高速列車牽引電機故障模擬不能在真實列車上進行的特殊性，提出一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機轉子斷條故障注入方法，通過建立牽引電機轉子斷條故障與等效電路參數(shù)之間的關系，設計一種故障注入器模擬轉子斷條故障。在高速列車半實物仿真平臺上測試了不同故障程度下的故障注入結果，驗證了所提轉子斷條故障注入方法的有效性。

等效電路參數(shù) 轉子斷條 故障注入器 半實物仿真平臺

0 引言

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

高速列車具有不能在實際運行列車上進行故障實驗的特殊性，為確保列車運行的安全可靠，同時降低研發(fā)成本、縮短研制周期和車上調試時間、減少驗證時間，所有車載技術在投入運行使用之前，都必須通過實驗室的仿真實驗和現(xiàn)場運行的測試與試驗驗證[4]?，F(xiàn)有的高速列車應用驗證平臺主要有半實物仿真平臺和車載試驗驗證系統(tǒng)，大多以模擬、仿真的方式驗證高速列車正常運行行為和故障情況。

故障注入是進行系統(tǒng)功能驗證及測試安全的重要基礎和技術手段[5]。自20世紀90年代引起工程設計人員和科研工作者的重視起，故障注入的研究及應用逐漸廣泛和深入[6]，但對牽引電機的故障注入研究卻非常少。牽引電機故障注入就是用來模擬牽引電機可能發(fā)生的故障情況，然后通過辨識方法將故障類型診斷出來。在實際運行中通過此方法可以提前對列車牽引電機運行狀況做出判斷，進而減少事故發(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，開展逼近真實故障的注入方法研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。

故障注入有多種不同的分類方法，如按實現(xiàn)方法、故障的抽象級別、試驗目標和試驗運行環(huán)境等均可進行分類，其中，按故障注入的實現(xiàn)方法，可分為模擬實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)、軟件實現(xiàn)、重離子輻射誘發(fā)、電源干擾影響和激光實現(xiàn)的故障注入等[7]。本文建立了鼠籠式牽引電機轉子斷條故障與參數(shù)變化之間的定量關系，提出了一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機轉子斷條故障注入方法。最后，利用該方法在牽引電機傳動仿真平臺上進行仿真試驗，驗證所設計故障注入器的有效性及方法的正確性。

1 轉子斷條故障注入器設計

1.1 轉子斷條故障注入器模型

牽引電機發(fā)生轉子斷條故障時，可采用多回路數(shù)學模型進行模擬[8～9]，但方法較復雜、難以理解。而繞線式異步電動機與鼠籠式異步電動機模型在一定條件下可以等效，并且繞線式異步電動機模型轉子側參數(shù)放在電動機里面與串接在電動機外面可以等效[10]。正常牽引電機轉子三相為對稱結構，假定A相中某一根導條發(fā)生斷條故障，此時轉子A相分成故障導條和正常導條兩部分，如圖1所示。

圖1 牽引電機轉子及轉子斷條示意圖

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

圖2 牽引電機轉子斷條故障模型

1.2 故障注入器阻值變化規(guī)律

牽引電機轉子正常時，把轉子側看成三相，則轉子相電阻值：

根據(jù)電機T型等效電路，將轉子電阻R折算到定子側得等效電阻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為轉子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；k為轉子繞組系數(shù)。

牽引電機轉子出現(xiàn)根斷條時轉子相電阻值：

由（1）（3）式可得：

同樣由T型等效電路，將轉子電阻R折算到定子側得等效電阻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，當轉子正常與斷條時轉子相電阻折算到定子側的變化量DR’為：

又因為故障注入器故障電阻所加位置為轉子側，因此故障電阻DR為DR’反折算到轉子側的值：

2 轉子斷條故障特征信息分析

當牽引傳動系統(tǒng)對牽引電機的供電頻率為時，電機定子繞組將在電機內部產生基波磁動勢F，表達式為：

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

轉子在定子旋轉磁場感應下產生與定子磁動勢相平衡的轉子磁動勢，轉子磁動勢的大小與定子繞組產生的磁動勢大小相等、方向相反，轉子基波磁動勢F表示為：

式中，K表示常數(shù)，與電機極對數(shù)及轉子繞組相關；N表示轉子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；I表示轉子電流。

3 故障注入試驗及有效性驗證

為驗證所設計牽引電機轉子斷條故障注入器的有效性，根據(jù)CRH2型動車組主電路搭建了牽引傳動系統(tǒng)仿真平臺[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中牽引電機參數(shù)，可計算出牽引電機額定輸出轉矩。

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

在仿真平臺上，用表1牽引電機參數(shù)進行了仿真研究，設定逆變器輸出基波頻率為50 Hz。仿真時測取了多組結果，但在此由于篇幅有限，只選取牽引電機嚴重故障程度(=5，DR=0.0865W)、一般故障程度（=2，DR=0.0282W）及轉子正常（=0，DR=0W）情況下分別帶滿載、輕載（50%負載）的試驗結果。

圖4 牽引電機滿載時轉矩圖

圖5 牽引電機滿載時電流頻域圖

圖6 牽引電機輕載時轉矩圖

圖7 牽引電機輕載時電流頻域圖

從圖4和圖6可以看出，當電機轉子正常時，轉矩恒定不變；當電機轉子發(fā)生斷條后，轉子三相電流不對稱，使得電機轉矩產生了波動，并且隨著故障程度的增加波動幅度越大。由圖5和圖7可以看出，當電機轉子發(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（即故障嚴重程度）及帶載情況有關。從而驗證了本文設計的故障注入器的有效性及注入方法的正確性。

4 結論

本文提出了一種基于等效電路參數(shù)的牽引電機轉子斷條故障注入方法。闡述了牽引電機故障注入的重要性，設計了轉子斷條模擬故障注入器，實現(xiàn)了電機不同程度的故障注入，在CRH2型高速列車仿真平臺上進行了一系列試驗，通過對電流頻域和轉矩的仿真結果分析，證明了轉子斷條模擬故障注入器設計方法的正確性。該方法通用、易操作，具有一定的實用價值。

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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

湖南省自然科學基金項目（2020JJ4558）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202110547057）；湖南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（湘教通[2021]197號第3385項）；湖南省科技廳科技計劃項目(2016TP1023)。

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

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