基于小波变换的同步交流发电机旋转整流器故障诊断

陈东华，张凤雏

(江苏斯菲尔电气股份有限公司，江苏 无锡 214000)

0 引言

随着科学技术的不断发展，同步交流发电机广泛应用于航空航天、国防军事、工农业等领域[1]，其结构较为复杂且功能繁多，其中旋转整流器作为同步交流发电机的核心部件，不但整体结构受机械振动的影响，同时还承受较大的离心加速度和机械应力，所以旋转整流器属于故障频发模块，因而对其进行故障诊断研究具有重大意义[2]。

目前，对同步交流发电机旋转整流器进行故障诊断的方法主要有励磁电流分析法[3]和输出电压分析法[4]。其中，励磁电流分析法通过采集同步交流发电机励磁机励磁电流，对其进行傅里叶变换提取相关特征，并进行故障诊断[5]，而输出电压分析法则采集同步交流发电机三相输出电压信号，对其进行小波变换并获取相关特征参数，从而实施故障诊断操作[6]。此外，亦可以利用旋转整流器整流电压进行傅里叶变换或者小波变换以提取故障特征，从而进行故障诊断操作[7]。因此，利用傅里叶变换法或小波变换法处理相关信号，均能提取相关故障特征参数，并实施同步交流发电机旋转整流器的故障诊断。

本文借助MATLAB仿真软件，对旋转整流器二极管开路故障进行研究，仿真并分析同步交流发电机三相输出电压信号，给出了一种基于小波变换的同步交流发电机旋转整流器故障诊断方法。

1 同步交流发电机三相输出电压信号仿真分析

MATLAB中的SimPowerSystem库[8-10]十分强大，可以利用其中的相关模块，对同步交流发电机进行建模分析，从而较为精确地模拟同步交流发电机的实际运行情况，其中同步交流发电机仿真模型如图1所示。

图1 同步交流发电机仿真模型

针对同步交流发电机旋转整流器故障[11-12]，拟考虑开路故障模式，即分为3大类：正常工作模式、单管开路故障模式和双管开路故障模式，具体见表1。

表1 旋转整流器故障模式

利用同步交流发电机仿真模型进行旋转整流器开路故障仿真，可以简单、有效地获取同步交流发电机三相输出电压信号的仿真结果，从而进一步对旋转整流器故障进行深入分析[13]。仿真结果显示：当旋转整流器正常工作时，同步交流发电机三相输出电压信号符合参数设定；当旋转整流器出现单管开路故障时，三相输出电压信号出现衰减，其有效值低于设定参数；当旋转整流器出现双管开路故障时，三相输出电压信号的衰减幅度更大。图2、图3和图4分别为旋转整流器正常工作、单管开路故障和双管开路故障3种情况下的三相输出电压信号波形。

图2 同步交流发电机三相输出电压信号(正常)

图3 同步交流发电机三相输出电压信号(单管开路故障)

图4 同步交流发电机三相输出电压信号(双管开路故障)

从图2、图3和图4中可以看出，双管开路故障对同步交流发电机三相输出电压信号影响较大，其故障瞬态衰减幅度较大。

2 小波变换

现假设函数ψ(t)，满足平方可积的条件，同时ψ(t)∈L2(R)，对ψ(t)进行傅里叶变换获取傅里叶变换结果φ(ω)，若φ(ω)满足如下所示的允许性条件：

(1)

则将ψ(t)称为小波母函数，并称式(1)为小波容许性条件，且可利用ψ(t)对信号x(t)进行连续小波变换[14-15]：

(2)

相应地，若要实现离散小波变换，则需先离散化伸缩参数a和平移参数b，下面对其进行详细叙述。若存在常数A和B，且满足如下公式：

(3)

则将ψ(t)称为二进母小波，并将式(3)记作二进母小波的稳定性条件，且对于任意的整数j，给出离散小波母函数的表达式[16]：

(4)

结合离散小波母函数实现信号的离散小波变换，能够将原始信号分解为高频信号分量和低频信号分量，下面给出三层离散小波变换的示意图，其中x(n)为原始信号采集序列，h(n)为高频信号滤波器，g(n)为低频信号滤波器，圆圈符号代表两倍降采样，cD1～cD3分别为第一层至第三层低频信号分量，cA3为第三层高频信号分量。

对原始信号进行小波变换后，可以获得许多低频信号分量和高频信号分量对应的分解系数[17]，假设某一分量的分解系数为c1,c2,…,cN，对分解系数进行如下式所示的计算，可获取对应分量的能量值。

(5)

利用小波变换处理故障瞬态信号UA、UB和UC，并进行三层小波分解，获取对应的分解系数能量值作为特征参数，可获得12个故障特征参数，如图5、图6和图7所示。

图5 UA电压小波变换结果

图6 UB电压小波变换结果

图7 UC电压小波变换结果

从图5、图6和图7所示的特征结果可以看出，在旋转整流器正常工作、单管开路故障和双管开路故障3种情况下，相同信号分量计算获取的能量值差异较明显，因而可利用上述获取的故障特征参数对同步交流发电机旋转整流器实施故障诊断操作。

3 基于小波变换的故障诊断方法

利用小波变换处理同步交流发电机三相输出电压信号，获取12个故障特征参数，从而对旋转整流器进行故障诊断，具体操作步骤如下所述：

1) 运行同步交流发电机，同步采集同步交流发电机三相输出电压信号；

2) 利用小波变换处理三相输出电压信号，进行三层小波分解并获取不同分量信号，计算能量值；

3) 将获取的能量值进行归一化，并与已有故障模式进行比较，判断旋转整流器有无故障，并进一步判别故障类型。

现针对旋转整流器3大类故障，分别获取50个样本，每种故障模式随机抽取25个样本作为训练样本，剩余25个样本作为测试样本，验证基于小波变换的旋转整流器故障诊断方法，诊断正确率为100%，表明基于小波变换的旋转整流器故障诊断方法能够有效地诊断旋转整流器。

4 结语

利用小波变换处理同步交流发电机三相输出电压信号，计算获取分解信号能量值，将其与旋转整流器已有故障模式的特征参数进行比对，从而判断旋转整流器有无故障，并进一步判断故障类型。通过仿真实验，表明基于小波变换的旋转整流器故障诊断方法可有效地诊断旋转整流器故障。另外，可进一步对故障二极管定位问题进行深入研究和探讨。