基于小波變換的同步交流發電機旋轉整流器故障診斷

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

隨著科學技術的不斷發展，同步交流發電機廣泛應用于航空航天、國防軍事、工農業等領域[1]，其結構較為復雜且功能繁多，其中旋轉整流器作為同步交流發電機的核心部件，不但整體結構受機械振動的影響，同時還承受較大的離心加速度和機械應力，所以旋轉整流器屬于故障頻發模塊，因而對其進行故障診斷研究具有重大意義[2]。

目前，對同步交流發電機旋轉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電機勵磁機勵磁電流，對其進行傅里葉變換提取相關特征，并進行故障診斷[5]，而輸出電壓分析法則采集同步交流發電機三相輸出電壓信號，對其進行小波變換并獲取相關特征參數，從而實施故障診斷操作[6]。此外，亦可以利用旋轉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信號，均能提取相關故障特征參數，并實施同步交流發電機旋轉整流器的故障診斷。

本文借助MATLAB仿真軟件，對旋轉整流器二極管開路故障進行研究，仿真并分析同步交流發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電機旋轉整流器故障診斷方法。

1 同步交流發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模塊，對同步交流發電機進行建模分析，從而較為精確地模擬同步交流發電機的實際運行情況，其中同步交流發電機仿真模型如圖1所示。

圖1 同步交流發電機仿真模型

針對同步交流發電機旋轉整流器故障[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 旋轉整流器故障模式

利用同步交流發電機仿真模型進行旋轉整流器開路故障仿真，可以簡單、有效地獲取同步交流發電機三相輸出電壓信號的仿真結果，從而進一步對旋轉整流器故障進行深入分析[13]。仿真結果顯示：當旋轉整流器正常工作時，同步交流發電機三相輸出電壓信號符合參數設定；當旋轉整流器出現單管開路故障時，三相輸出電壓信號出現衰減，其有效值低于設定參數；當旋轉整流器出現雙管開路故障時，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 同步交流發電機三相輸出電壓信號(正常)

圖3 同步交流發電機三相輸出電壓信號(單管開路故障)

圖4 同步交流發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電機三相輸出電壓信號影響較大，其故障瞬態衰減幅度較大。

2 小波變換

現假設函數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，并稱式(1)為小波容許性條件，且可利用ψ(t)對信號x(t)進行連續小波變換[14-15]：

(2)

相應地，若要實現離散小波變換，則需先離散化伸縮參數a和平移參數b，下面對其進行詳細敘述。若存在常數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定性條件，且對于任意的整數j，給出離散小波母函數的表達式[16]：

(4)

結合離散小波母函數實現信號的離散小波變換，能夠將原始信號分解為高頻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的分解系數[17]，假設某一分量的分解系數為c1,c2,…,cN，對分解系數進行如下式所示的計算，可獲取對應分量的能量值。

(5)

利用小波變換處理故障瞬態信號UA、UB和UC，并進行三層小波分解，獲取對應的分解系數能量值作為特征參數，可獲得12個故障特征參數，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 UA電壓小波變換結果

圖6 UB電壓小波變換結果

圖7 UC電壓小波變換結果

從圖5、圖6和圖7所示的特征結果可以看出，在旋轉整流器正常工作、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對同步交流發電機旋轉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電機三相輸出電壓信號，獲取12個故障特征參數，從而對旋轉整流器進行故障診斷，具體操作步驟如下所述：

1) 運行同步交流發電機，同步采集同步交流發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，判斷旋轉整流器有無故障，并進一步判別故障類型。

現針對旋轉整流器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整流器故障診斷方法能夠有效地診斷旋轉整流器。

4 結語

利用小波變換處理同步交流發電機三相輸出電壓信號，計算獲取分解信號能量值，將其與旋轉整流器已有故障模式的特征參數進行比對，從而判斷旋轉整流器有無故障，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整流器故障診斷方法可有效地診斷旋轉整流器故障。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。