陳東華，張鳳雛

(江蘇斯菲爾電氣股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，同步交流發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且功能繁多，其中旋轉(zhuǎn)整流器作為同步交流發(fā)電機(jī)的核心部件，不但整體結(jié)構(gòu)受機(jī)械振動(dòng)的影響，同時(shí)還承受較大的離心加速度和機(jī)械應(yīng)力，所以旋轉(zhuǎn)整流器屬于故障頻發(fā)模塊，因而對(duì)其進(jìn)行故障診斷研究具有重大意義[2]。

目前，對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障診斷的方法主要有勵(lì)磁電流分析法[3]和輸出電壓分析法[4]。其中，勵(lì)磁電流分析法通過(guò)采集同步交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換提取相關(guān)特征，并進(jìn)行故障診斷[5]，而輸出電壓分析法則采集同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行小波變換并獲取相關(guān)特征參數(shù)，從而實(shí)施故障診斷操作[6]。此外，亦可以利用旋轉(zhuǎn)整流器整流電壓進(jìn)行傅里葉變換或者小波變換以提取故障特征，從而進(jìn)行故障診斷操作[7]。因此，利用傅里葉變換法或小波變換法處理相關(guān)信號(hào)，均能提取相關(guān)故障特征參數(shù)，并實(shí)施同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷。

本文借助MATLAB仿真軟件，對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器二極管開(kāi)路故障進(jìn)行研究，仿真并分析同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)，給出了一種基于小波變換的同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法。

1 同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)仿真分析

MATLAB中的SimPowerSystem庫(kù)[8-10]十分強(qiáng)大，可以利用其中的相關(guān)模塊，對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模分析，從而較為精確地模擬同步交流發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，其中同步交流發(fā)電機(jī)仿真模型如圖1所示。

圖1 同步交流發(fā)電機(jī)仿真模型

針對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器故障[11-12]，擬考慮開(kāi)路故障模式，即分為3大類：正常工作模式、單管開(kāi)路故障模式和雙管開(kāi)路故障模式，具體見(jiàn)表1。

表1 旋轉(zhuǎn)整流器故障模式

利用同步交流發(fā)電機(jī)仿真模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)整流器開(kāi)路故障仿真，可以簡(jiǎn)單、有效地獲取同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)的仿真結(jié)果，從而進(jìn)一步對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器故障進(jìn)行深入分析[13]。仿真結(jié)果顯示：當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器正常工作時(shí)，同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)符合參數(shù)設(shè)定；當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)單管開(kāi)路故障時(shí)，三相輸出電壓信號(hào)出現(xiàn)衰減，其有效值低于設(shè)定參數(shù)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)雙管開(kāi)路故障時(shí)，三相輸出電壓信號(hào)的衰減幅度更大。圖2、圖3和圖4分別為旋轉(zhuǎn)整流器正常工作、單管開(kāi)路故障和雙管開(kāi)路故障3種情況下的三相輸出電壓信號(hào)波形。

圖2 同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)(正常)

圖3 同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)(單管開(kāi)路故障)

圖4 同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)(雙管開(kāi)路故障)

從圖2、圖3和圖4中可以看出，雙管開(kāi)路故障對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)影響較大，其故障瞬態(tài)衰減幅度較大。

2 小波變換

現(xiàn)假設(shè)函數(shù)ψ(t)，滿足平方可積的條件，同時(shí)ψ(t)∈L2(R)，對(duì)ψ(t)進(jìn)行傅里葉變換獲取傅里葉變換結(jié)果φ(ω)，若φ(ω)滿足如下所示的允許性條件：

(1)

則將ψ(t)稱為小波母函數(shù)，并稱式(1)為小波容許性條件，且可利用ψ(t)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行連續(xù)小波變換[14-15]：

(2)

相應(yīng)地，若要實(shí)現(xiàn)離散小波變換，則需先離散化伸縮參數(shù)a和平移參數(shù)b，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)敘述。若存在常數(shù)A和B，且滿足如下公式：

(3)

則將ψ(t)稱為二進(jìn)母小波，并將式(3)記作二進(jìn)母小波的穩(wěn)定性條件，且對(duì)于任意的整數(shù)j，給出離散小波母函數(shù)的表達(dá)式[16]：

(4)

結(jié)合離散小波母函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的離散小波變換，能夠?qū)⒃夹盘?hào)分解為高頻信號(hào)分量和低頻信號(hào)分量，下面給出三層離散小波變換的示意圖，其中x(n)為原始信號(hào)采集序列，h(n)為高頻信號(hào)濾波器，g(n)為低頻信號(hào)濾波器，圓圈符號(hào)代表兩倍降采樣，cD1～cD3分別為第一層至第三層低頻信號(hào)分量，cA3為第三層高頻信號(hào)分量。

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波變換后，可以獲得許多低頻信號(hào)分量和高頻信號(hào)分量對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)[17]，假設(shè)某一分量的分解系數(shù)為c1,c2,…,cN，對(duì)分解系數(shù)進(jìn)行如下式所示的計(jì)算，可獲取對(duì)應(yīng)分量的能量值。

(5)

利用小波變換處理故障瞬態(tài)信號(hào)UA、UB和UC，并進(jìn)行三層小波分解，獲取對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)能量值作為特征參數(shù)，可獲得12個(gè)故障特征參數(shù)，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 UA電壓小波變換結(jié)果

圖6 UB電壓小波變換結(jié)果

圖7 UC電壓小波變換結(jié)果

從圖5、圖6和圖7所示的特征結(jié)果可以看出，在旋轉(zhuǎn)整流器正常工作、單管開(kāi)路故障和雙管開(kāi)路故障3種情況下，相同信號(hào)分量計(jì)算獲取的能量值差異較明顯，因而可利用上述獲取的故障特征參數(shù)對(duì)同步交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)整流器實(shí)施故障診斷操作。

3 基于小波變換的故障診斷方法

利用小波變換處理同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)，獲取12個(gè)故障特征參數(shù)，從而對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器進(jìn)行故障診斷，具體操作步驟如下所述：

1) 運(yùn)行同步交流發(fā)電機(jī)，同步采集同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)；

2) 利用小波變換處理三相輸出電壓信號(hào)，進(jìn)行三層小波分解并獲取不同分量信號(hào)，計(jì)算能量值；

3) 將獲取的能量值進(jìn)行歸一化，并與已有故障模式進(jìn)行比較，判斷旋轉(zhuǎn)整流器有無(wú)故障，并進(jìn)一步判別故障類型。

現(xiàn)針對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器3大類故障，分別獲取50個(gè)樣本，每種故障模式隨機(jī)抽取25個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，剩余25個(gè)樣本作為測(cè)試樣本，驗(yàn)證基于小波變換的旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法，診斷正確率為100%，表明基于小波變換的旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法能夠有效地診斷旋轉(zhuǎn)整流器。

4 結(jié)語(yǔ)

利用小波變換處理同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)，計(jì)算獲取分解信號(hào)能量值，將其與旋轉(zhuǎn)整流器已有故障模式的特征參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷旋轉(zhuǎn)整流器有無(wú)故障，并進(jìn)一步判斷故障類型。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，表明基于小波變換的旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法可有效地診斷旋轉(zhuǎn)整流器故障。另外，可進(jìn)一步對(duì)故障二極管定位問(wèn)題進(jìn)行深入研究和探討。