HXD1型電力機(jī)車異步牽引電機(jī)故障診斷方法研究.pdf

1、隨著我國列車向高速化、信息化發(fā)展，列車的運(yùn)行安全顯得尤為重要。HXD1型交流傳動(dòng)電力機(jī)車是中國南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司和西門子公司合作開發(fā)的重載貨運(yùn)機(jī)車，是我國現(xiàn)代化鐵路裝備技術(shù)的重要標(biāo)志性產(chǎn)品之一。異步牽引電機(jī)作為交流傳動(dòng)電力機(jī)車的核心設(shè)備，其正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)列車的運(yùn)行安全起著至關(guān)重要的作用，因此，對(duì)異步牽引電機(jī)進(jìn)行故障診斷研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文首先對(duì)牽引電機(jī)故障診斷研究現(xiàn)狀、信號(hào)分析方法和牽引電機(jī)故障機(jī)理進(jìn)行

2、分析和研究，為牽引電機(jī)故障診斷技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，然后以HXD1型電力機(jī)車牽引電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)牽引電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，提出了幾種有效的牽引電機(jī)故障診斷方法。
　　考慮到牽引電機(jī)為非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，建立精確故障狀態(tài)數(shù)學(xué)模型比較困難，提出一種基于混合蛙跳算法脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)器牽引電機(jī)故障診斷方法。首先利用脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近牽引電機(jī)非線性部分，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)器，然后采用混合蛙跳算法對(duì)脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用最優(yōu)設(shè)計(jì)

3、方法選取觀測(cè)器反饋增益矩陣，最后根據(jù)觀測(cè)器殘差進(jìn)行牽引電機(jī)故障診斷。該方法不僅充分融合了混合蛙跳算法和脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的學(xué)習(xí)能力、較快的收斂速度和較高的故障診斷精度，而且能與無速度傳感器牽引電機(jī)矢量控制進(jìn)行很好融合，同時(shí)進(jìn)行牽引電機(jī)狀態(tài)識(shí)別和故障診斷。
　　在HXD1型電力機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條和定子匝間短路等故障在定子電流中產(chǎn)生的故障特征量將穿越變流器對(duì)變流器一次側(cè)（網(wǎng)側(cè)）電流產(chǎn)生影響，因此，可以利

4、用容易測(cè)取的變流器網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)進(jìn)行牽引電機(jī)故障診斷。基于此，提出一種基于整流器一次側(cè)（網(wǎng)側(cè)）瞬時(shí)功率牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷方法，在分析牽引電機(jī)定子電流和網(wǎng)側(cè)電流的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)側(cè)電流、電壓信號(hào)構(gòu)建瞬時(shí)功率，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，選擇故障特征頻率2Sf0作為轉(zhuǎn)子斷條故障診斷判據(jù)。該方法解決了電機(jī)電流分析方法中故障特征頻率容易被淹沒的問題，選擇容易測(cè)取的網(wǎng)側(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，簡化了故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)牽引電機(jī)故障診斷中難以獲取大量

5、故障數(shù)據(jù)樣本，故障特征提取困難等問題，提出一種基于核主成分分析(KernelprimaryComponentAnalysis,KPCA)和相關(guān)向量機(jī)(RelevanceVectorMachine，RVM)的牽引電機(jī)故障診斷方法。該方法將獲取的采樣電流信號(hào)進(jìn)行小波包分解，選取頻帶能量值為樣本向量，然后通過KPCA進(jìn)行降維獲得新的特征向量，并輸入RVM進(jìn)行故障模式識(shí)別。該方法結(jié)合KPCA的非線性特征提取能力和RVM的良好分類能力，具有故障診

6、斷正確率高和分類時(shí)間較少的特點(diǎn)。
　　HXD1電力機(jī)車牽引電機(jī)采用矢量控制技術(shù)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)是影響電力機(jī)車性能的關(guān)鍵問題之一。對(duì)故障診斷、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向以及速度辨識(shí)進(jìn)行綜合分析和研究，發(fā)現(xiàn)利用物理量瞬時(shí)無功功率能同時(shí)進(jìn)行牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子故障診斷、磁場(chǎng)定向校正和速度辨識(shí)。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于瞬時(shí)無功功率的牽引電機(jī)在線故障診斷方法。首先利用轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)與電流矢量構(gòu)建瞬時(shí)無功功率，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，選用特征頻率2Sf1作為轉(zhuǎn)子斷條的

7、故障診斷判據(jù)，然后，利用該無功功率進(jìn)行速度辨識(shí)，消除了模型參考自適應(yīng)速度辨識(shí)中定子電阻和積分項(xiàng)的影響，最后利用兩個(gè)模型的無功功率差，通過PI控制器校正轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向。該方法采用瞬時(shí)無功功率進(jìn)行牽引電機(jī)故障診斷、速度辨識(shí)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向校正，不僅能有效進(jìn)行牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條在線故障診斷，而且較好地融合無速度傳感器矢量控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)控制性能。
　　研制了牽引電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，基于該平臺(tái)，完成了無速度傳感器牽引電機(jī)矢量控制