HXD1型電力機車異步牽引電機故障診斷方法研究.pdf

1、隨著我國列車向高速化、信息化發(fā)展，列車的運行安全顯得尤為重要。HXD1型交流傳動電力機車是中國南車集團株洲電力機車有限公司和西門子公司合作開發(fā)的重載貨運機車，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。異步牽引電機作為交流傳動電力機車的核心設(shè)備，其正常運行對整個列車的運行安全起著至關(guān)重要的作用，因此，對異步牽引電機進行故障診斷研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。
　　本文首先對牽引電機故障診斷研究現(xiàn)狀、信號分析方法和牽引電機故障機理進行

2、分析和研究，為牽引電機故障診斷技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，然后以HXD1型電力機車牽引電機為研究對象，針對牽引電機特殊結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境，提出了幾種有效的牽引電機故障診斷方法。
　　考慮到牽引電機為非線性、強耦合的多變量系統(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)觀測器牽引電機故障診斷方法。首先利用脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近牽引電機非線性部分，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器，然后采用混合蛙跳算法對脊波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行優(yōu)化，采用最優(yōu)設(shè)計

3、方法選取觀測器反饋增益矩陣，最后根據(jù)觀測器殘差進行牽引電機故障診斷。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，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矢量控制進行很好融合，同時進行牽引電機狀態(tài)識別和故障診斷。
　　在HXD1型電力機車變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步牽引電機轉(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、用容易測取的變流器網(wǎng)側(cè)電流信號進行牽引電機故障診斷。基于此，提出一種基于整流器一次側(cè)（網(wǎng)側(cè)）瞬時功率牽引電機轉(zhuǎn)子故障診斷方法，在分析牽引電機定子電流和網(wǎng)側(cè)電流的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)側(cè)電流、電壓信號構(gòu)建瞬時功率，并對其進行頻譜分析，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，選擇容易測取的網(wǎng)側(cè)信號進行分析，簡化了故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。
　　針對牽引電機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(RelevanceVectorMachine，RVM)的牽引電機故障診斷方法。該方法將獲取的采樣電流信號進行小波包分解，選取頻帶能量值為樣本向量，然后通過KPCA進行降維獲得新的特征向量，并輸入RVM進行故障模式識別。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間較少的特點。
　　HXD1電力機車牽引電機采用矢量控制技術(shù)，轉(zhuǎn)子磁場定向不準(zhǔn)是影響電力機車性能的關(guān)鍵問題之一。對故障診斷、轉(zhuǎn)子磁場定向以及速度辨識進行綜合分析和研究，發(fā)現(xiàn)利用物理量瞬時無功功率能同時進行牽引電機轉(zhuǎn)子故障診斷、磁場定向校正和速度辨識。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于瞬時無功功率的牽引電機在線故障診斷方法。首先利用轉(zhuǎn)子反電動勢與電流矢量構(gòu)建瞬時無功功率，并對其進行頻譜分析，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，利用該無功功率進行速度辨識，消除了模型參考自適應(yīng)速度辨識中定子電阻和積分項的影響，最后利用兩個模型的無功功率差，通過PI控制器校正轉(zhuǎn)子磁場定向。該方法采用瞬時無功功率進行牽引電機故障診斷、速度辨識和轉(zhuǎn)子磁場定向校正，不僅能有效進行牽引電機轉(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。
　　研制了牽引電機交流傳動系統(tǒng)半實物仿真平臺，基于該平臺，完成了無速度傳感器牽引電機矢量控制