陳東華，張鳳雛

(江蘇斯菲爾電氣股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，同步交流發(fā)電機廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍事、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)電機的核心部件，不但整體結(jié)構(gòu)受機械振動的影響，同時還承受較大的離心加速度和機械應(yīng)力，所以旋轉(zhuǎn)整流器屬于故障頻發(fā)模塊，因而對其進行故障診斷研究具有重大意義[2]。

目前，對同步交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)整流器進行故障診斷的方法主要有勵磁電流分析法[3]和輸出電壓分析法[4]。其中，勵磁電流分析法通過采集同步交流發(fā)電機勵磁機勵磁電流，對其進行傅里葉變換提取相關(guān)特征，并進行故障診斷[5]，而輸出電壓分析法則采集同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號，對其進行小波變換并獲取相關(guān)特征參數(shù)，從而實施故障診斷操作[6]。此外，亦可以利用旋轉(zhuǎn)整流器整流電壓進行傅里葉變換或者小波變換以提取故障特征，從而進行故障診斷操作[7]。因此，利用傅里葉變換法或小波變換法處理相關(guān)信號，均能提取相關(guān)故障特征參數(shù)，并實施同步交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)整流器的故障診斷。

本文借助MATLAB仿真軟件，對旋轉(zhuǎn)整流器二極管開路故障進行研究，仿真并分析同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號，給出了一種基于小波變換的同步交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法。

1 同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號仿真分析

MATLAB中的SimPowerSystem庫[8-10]十分強大，可以利用其中的相關(guān)模塊，對同步交流發(fā)電機進行建模分析，從而較為精確地模擬同步交流發(fā)電機的實際運行情況，其中同步交流發(fā)電機仿真模型如圖1所示。

圖1 同步交流發(fā)電機仿真模型

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

表1 旋轉(zhuǎn)整流器故障模式

利用同步交流發(fā)電機仿真模型進行旋轉(zhuǎn)整流器開路故障仿真，可以簡單、有效地獲取同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號的仿真結(jié)果，從而進一步對旋轉(zhuǎn)整流器故障進行深入分析[13]。仿真結(jié)果顯示：當旋轉(zhuǎn)整流器正常工作時，同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號符合參數(shù)設(shè)定；當旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)單管開路故障時，三相輸出電壓信號出現(xiàn)衰減，其有效值低于設(shè)定參數(shù)；當旋轉(zhuǎn)整流器出現(xiàn)雙管開路故障時，三相輸出電壓信號的衰減幅度更大。圖2、圖3和圖4分別為旋轉(zhuǎn)整流器正常工作、單管開路故障和雙管開路故障3種情況下的三相輸出電壓信號波形。

圖2 同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號(正常)

圖3 同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號(單管開路故障)

圖4 同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號(雙管開路故障)

從圖2、圖3和圖4中可以看出，雙管開路故障對同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號影響較大，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ψ(t)∈L2(R)，對ψ(t)進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)對信號x(t)進行連續(xù)小波變換[14-15]：

(2)

相應(yīng)地，若要實現(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，下面對其進行詳細敘述。若存在常數(shù)A和B，且滿足如下公式：

(3)

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

(4)

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

對原始信號進行小波變換后，可以獲得許多低頻信號分量和高頻信號分量對應(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，對分解系數(shù)進行如下式所示的計算，可獲取對應(yīng)分量的能量值。

(5)

利用小波變換處理故障瞬態(tài)信號UA、UB和UC，并進行三層小波分解，獲取對應(yīng)的分解系數(shù)能量值作為特征參數(shù)，可獲得12個故障特征參數(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、單管開路故障和雙管開路故障3種情況下，相同信號分量計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)對同步交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)整流器實施故障診斷操作。

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)電機三相輸出電壓信號，獲取12個故障特征參數(shù)，從而對旋轉(zhuǎn)整流器進行故障診斷，具體操作步驟如下所述：

1) 運行同步交流發(fā)電機，同步采集同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號；

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

3) 將獲取的能量值進行歸一化，并與已有故障模式進行比較，判斷旋轉(zhuǎn)整流器有無故障，并進一步判別故障類型。

現(xiàn)針對旋轉(zhuǎn)整流器3大類故障，分別獲取50個樣本，每種故障模式隨機抽取25個樣本作為訓(xùn)練樣本，剩余25個樣本作為測試樣本，驗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

利用小波變換處理同步交流發(fā)電機三相輸出電壓信號，計算獲取分解信號能量值，將其與旋轉(zhuǎn)整流器已有故障模式的特征參數(shù)進行比對，從而判斷旋轉(zhuǎn)整流器有無故障，并進一步判斷故障類型。通過仿真實驗，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，可進一步對故障二極管定位問題進行深入研究和探討。