摘 要：本文介紹了變頻調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及其故障診斷的重要性。采用了多種小波消噪方法方法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)分析比較確定了最佳小波消噪方法。由分析結(jié)果可知消噪后的信號(hào)更利于故障信號(hào)特征的提取，為快速準(zhǔn)確對(duì)進(jìn)行故障診斷打下良好的基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) 故障診斷 小波消噪

　　Abstract: The widely use of variable frequency speed regulation system and its importance of fault diagnosis were introduced in this paper.Used a variety of methods of wavelet denoising method to process fault signals,Determined the best methods of wavelet denoising. We can see from the experiment that denoised fault signal characteristics more conducive to the extraction, and make base for rapidly and accurately fault diagnosis .

　　Key words: variable frequency speed regulation system fault diagnosis wavelet denoising

　　1.引言

　　隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的廣泛應(yīng)用，變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展及廣泛的應(yīng)用。交流變頻調(diào)速是異步電機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法，在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞，因此在工礦企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。變頻器和電動(dòng)機(jī)是變頻調(diào)速系統(tǒng)中的重要組成部分，因而它們故障檢測(cè)與診斷問(wèn)題在整個(gè)系統(tǒng)中占重要成分。其中變頻器中的功率半導(dǎo)體器件及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)[1]，其可靠性問(wèn)題一直沒(méi)用得到充分解決。本文主要對(duì)變頻器發(fā)生故障時(shí)采集的電流電壓信號(hào)進(jìn)行小波消噪，并對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

　　2.小波消噪的原理

　　在小波分析中，應(yīng)用最為廣泛的無(wú)疑是信號(hào)處理及圖像處理，而在這兩領(lǐng)域中，應(yīng)用最多的就是信號(hào)（圖像）的消噪和壓縮。正由于在正交小波中，正交基的選取比傳統(tǒng)方法更接近實(shí)際信號(hào)本身，所以通過(guò)小波變換可以更好地分離出噪聲和其他我們不需要的信息，因此在這類應(yīng)用中小波分析有著傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　信號(hào)消噪準(zhǔn)側(cè)是光滑性和相似性。光滑性即在大部分情況下，消噪后的信號(hào)應(yīng)該至少和原信號(hào)具有同等的光滑性。相似性即消噪后的信號(hào)和原信號(hào)的方差估計(jì)應(yīng)該是最壞情況下的最小值。

　　小波分析用于信號(hào)消噪的過(guò)程：

　　（1） 分解過(guò)程：選定一種小波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行N層小波（包）分解。

　　（2） 作用閾值過(guò)程：對(duì)分解得到的各層系數(shù)選擇一個(gè)閾值，并對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)作用軟閾值處理

　　（3） 重構(gòu)過(guò)程：消噪處理后的系數(shù)通過(guò)小波（包）重構(gòu)恢復(fù)原始信號(hào)。

　　基本小波消噪模型如下：

圖1 小波消噪過(guò)程模型

　　（1）原始信號(hào)f .（2）噪聲信號(hào)w .（3）信號(hào)在小波域的表示Lψ，即原信號(hào)（含噪聲）在小波變換下的分解系數(shù)。（4）閾值算子Fδ：閾值算子作用后，模值小的系數(shù)被置為零，只保留模值大的系數(shù)項(xiàng)，即

　　（2-1）

　　（5）掩碼算子 ：掩碼算子作用的結(jié)果是保留特定的系數(shù)并把其他得系數(shù)置為零，即

　　（2-2）

　　可以看出，掩碼算子是閾值算子的推廣，可以通過(guò)引入系數(shù)模值的掩碼算子來(lái)實(shí)現(xiàn)閾值算子。

　　由上述小波消噪過(guò)程模型可以看出，小波消噪的核心步驟是在系數(shù)上作用閾值。閾值的選取直接影響消噪的質(zhì)量，人們?yōu)榇颂岢隽烁鞣N理論的和經(jīng)驗(yàn)的模型。本文就變頻器發(fā)生故障時(shí)的電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)采用基于原始信號(hào)確定各級(jí)閾值模型進(jìn)行消噪處理。經(jīng)過(guò)分析比較選擇合適的最佳消噪方法。

　　基于原始信號(hào)的確定各級(jí)閾值方法，閾值確定有以下三種數(shù)學(xué)模型：

　　（1） 缺省的閾值確定模型，閾值由公式（2-3）給出：

　　（2-3）

　　式中，n為信號(hào)的長(zhǎng)度， σ為噪聲強(qiáng)度。

　　（2） Birge-Massart策略確定閾值通過(guò)如下規(guī)則求得：

　　1給定一個(gè)指定的分解層數(shù)j，對(duì)j+1以及更高層，所有系數(shù)保留;

　　2對(duì)第i層（1≤i≤j）,保留絕大值最大的ni個(gè)系數(shù)，ni由公式（2-4）確定

　　（2-4）

　　其中M和α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

　　（3） 小波包變換中的Penalty策略閾值公式（2-5）（2-6）確定：

　　令t為使得函數(shù) （2-5）

　　取得最小值的t，其中ck為小波包分解系數(shù)排序后第k個(gè)系數(shù)。n為系數(shù)的總數(shù)，那么閾值 （2-6）

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及消噪處理

　　本實(shí)驗(yàn)采用基于雙變量控制理論的自然無(wú)環(huán)流控制方式的交交變頻器[4]來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2.數(shù)據(jù)采集及分析框圖如圖3

圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖3數(shù)據(jù)采集及分析框圖

　　變頻器常見(jiàn)故障有開(kāi)關(guān)元件斷路，短路及保護(hù)元件電阻電容等故障，本文主要對(duì)晶閘管開(kāi)路故障進(jìn)行分析，從原理圖可知此種情況故障也分好多種[5]。本實(shí)驗(yàn)人為地將V相3號(hào)晶閘管斷開(kāi)，用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 正常和故障時(shí)電流信號(hào)及其頻譜圖

　　本文采用選用db3小波，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行4層小波分解。并采用上述三種閾值確定規(guī)則分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪并重構(gòu)，同時(shí)對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。消噪后信號(hào)及其頻譜圖如圖5所示。

圖5消噪后信號(hào)及其對(duì)應(yīng)頻譜圖

　　由圖3、4可知變頻器故障時(shí)電流信號(hào)波形會(huì)發(fā)生變化，由頻譜圖可知正常時(shí)諧波分量以5、7、11、13、17、19為主，而故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)偶次諧波含量，同時(shí)出現(xiàn)3次諧波而正常不會(huì)出現(xiàn)。由圖5對(duì)故障時(shí)電流信號(hào)采用三種消噪方法進(jìn)行處理可知，penalty閾值和缺省閾值較Birge-Massart策略消噪后信號(hào)的光滑性和相似性好，而缺省閾值效果最好。

　　4.結(jié)論

　　本文介紹了小波變換用于信號(hào)消噪的原理及其常見(jiàn)的閾值確定問(wèn)題，針對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)晶閘管開(kāi)路故障時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析研究可知消噪后的信號(hào)明顯的去除了噪聲干擾信號(hào)的影響，為更準(zhǔn)確的提取故障特征奠定基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

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