CRH2動(dòng)車組變流器故障信號(hào)特征提取的分析與研究

陳 慶，楊夢(mèng)勤，肖 茜（.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 400；.株洲市工業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，湖南 株洲 4008）

?

CRH2動(dòng)車組變流器故障信號(hào)特征提取的分析與研究

陳 慶1，楊夢(mèng)勤1，肖 茜2
（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001；2.株洲市工業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，湖南 株洲 412008）

摘要：本文立足于CRH2動(dòng)車組變流器的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，對(duì)其故障信號(hào)分析方法、故障信號(hào)選擇、故障特征提取等問(wèn)題進(jìn)行分析與研究。為鐵路故障分析與排除提供參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組變流器；故障信號(hào)；小波分析

0　引言

動(dòng)車組變流器一旦發(fā)生斷路故障，變流器一些參量（電壓、電流等）的波形必然出現(xiàn)變化。一般來(lái)講，不同的斷路故障會(huì)導(dǎo)致參量波形發(fā)生不同的形變。因此，根據(jù)所選參量波形變化特征可以逆向確定變流器的斷路部件。所以，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取故障信號(hào)，然后挖掘故障信號(hào)的特征，是故障診斷工作的第一步。

1　小波分析法

目前信號(hào)分析手段多種多樣，各有其優(yōu)點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)。對(duì)于故障診斷而言，合理選擇信號(hào)分析方法對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理是一項(xiàng)十分重要的工作。如果方法選擇得當(dāng)，能夠充分挖掘得到故障信號(hào)所隱含的故障信息，便于準(zhǔn)確定位故障部件。因此，為了能選擇合適的信號(hào)處理方法，應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象具體分析信號(hào)的特點(diǎn)，然后據(jù)此選擇信號(hào)處理手段。

CRH2動(dòng)車組變流器由整流器、中間電路、逆變器三部分組成，而整流器和逆變器都由相當(dāng)數(shù)量的IGBT、二極管等器件構(gòu)成?？傮w來(lái)看，它的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、精細(xì)，進(jìn)而導(dǎo)致一旦變流器發(fā)生斷路故障，部分不同故障的故障信號(hào)相似度較高、彼此差別不大。這些特點(diǎn)決定了所選擇的信號(hào)分析方法應(yīng)該要有較強(qiáng)的細(xì)節(jié)辨識(shí)能力，能夠準(zhǔn)確挖掘到信號(hào)細(xì)節(jié)中蘊(yùn)藏的豐富信息，為故障類型的準(zhǔn)確分類提供有力線索。小波分析是一種新穎的信號(hào)分析方法，它的信號(hào)局部細(xì)節(jié)分析能力突出，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，是一種能充分挖掘信號(hào)細(xì)節(jié)特征的有力工具。綜合上述考慮本文選擇小波分析作為故障信號(hào)的處理手段。下面將簡(jiǎn)單介紹小波分析的原理。

Ψ（t）∈ L2（ R）的傅立葉變換可表示為，其中L2（ R）表示能量有限的信號(hào)空間，Ψ（ω）滿足。Ψ（t）稱為基本小波或母小波。經(jīng)伸縮與平移，母波可生成的一系列函數(shù)，構(gòu)成一個(gè)小波函數(shù)序列。小波序列可表示為：其中，a 、b分別是尺度因子和平移因子。尺度因子實(shí)現(xiàn)基小波的伸縮變換，一般地，尺度因子增大，時(shí)域分析范圍擴(kuò)大，但是時(shí)域分辨率將有所降低。平移因子實(shí)現(xiàn)基波的橫向平移，目的是聚焦分析時(shí)域的重要興趣點(diǎn)。是為了確保變換前后能量守恒。

小波函數(shù)的本質(zhì)是帶通濾波器，尺度因子a 不同，那么Ψa， b（t ）的時(shí)間和頻率分辨率也有所不同。當(dāng)a 減小時(shí)，Ψa， b（t ）收縮、振蕩頻率增大，高頻信號(hào)的時(shí)間分辨率較好。反之，當(dāng)a 增大時(shí)，Ψa， b（t ）伸展、振蕩頻率減小，低頻信號(hào)獲得較高的頻率分辨率。圖1展示了小波函數(shù)及其頻率譜隨尺度因子而變化的情況。

根據(jù)小波變換定義可知，具有如下突出特點(diǎn)：

（1）可對(duì)信號(hào)多層分析，具有多重分辨率。該方法能多層分解信號(hào)，得到從低頻到高頻不同頻帶的信息，實(shí)現(xiàn)由粗及細(xì)地逐步分析信號(hào)。根據(jù)具體信號(hào)特征和分析參數(shù)要求確定信號(hào)的分解層數(shù)。

（2）小波變換可視為采用一組濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。根據(jù)傅立葉變換的尺度特性可知，該組濾波器的品質(zhì)因數(shù)恒定。

（3）局部分析能力強(qiáng)。通過(guò)選擇合適的基小波，可使小波函數(shù)具有較強(qiáng)的信號(hào)局部特征分析能力，使之具備較強(qiáng)的檢測(cè)信號(hào)奇異點(diǎn)的能力。總之， 能捕捉信號(hào)的局部特征是小波分析的突出優(yōu)點(diǎn)，小波變換因此獲得了信號(hào)分析中的“數(shù)學(xué)顯微鏡”美譽(yù)。

2　CRH2動(dòng)車組變流器故障特征提取

2.1合理選取故障信號(hào)

根據(jù)基本電路知識(shí)可知，動(dòng)車組牽引變流器的輸出電流以及交流側(cè)輸入電流會(huì)受電機(jī)等負(fù)載的影響，負(fù)載不同會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)電流隨之而不同。進(jìn)一步深入分析可知，變流器的輸出電壓以及交流側(cè)輸入電壓分別取決于變流器的逆變器和脈沖整流器的電路結(jié)構(gòu)。在變流器正常工作的情況下，脈沖整流器和逆變器電路結(jié)構(gòu)固定，上述兩種電壓不會(huì)出現(xiàn)波形變化。然而，如果功率器件發(fā)生故障，變流器的電路結(jié)構(gòu)必然發(fā)生變化，從而引發(fā)輸出電壓以及交流側(cè)輸入電壓波形的畸變。另一方面，不同的功率器件斷路對(duì)應(yīng)不同的電路結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)電壓波形也不同。因此，電壓波形蘊(yùn)含了豐富的故障信息，反映電路的不同故障。所以可以通過(guò)分析輸出電壓波形的特征逆向推斷發(fā)生故障的功率器件。綜合上述兩方面考慮，選擇輸出電壓以及交流側(cè)輸入電壓作為故障信號(hào)。

2.2選擇小波分析處理故障信號(hào)

故障特征是故障診斷的重要決策依據(jù)。選擇合理信號(hào)處理手段充分挖掘故障特征對(duì)提高故障診斷率具有重要意義。從故障信號(hào)角度來(lái)看，由于動(dòng)車組變流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精細(xì)，發(fā)生故障時(shí)，電壓波形有時(shí)不一定有顯著形變，各種故障所對(duì)應(yīng)的電壓波形之間的區(qū)別也可能較為細(xì)微。其次，動(dòng)車組工作環(huán)境復(fù)雜，變流器的故障電壓難免混入干擾信號(hào)，故障因素和干擾因素耦合在一起，電壓波形中既含有因故障而引入的畸變信號(hào)又含有各種干擾信號(hào)。因此，動(dòng)車組變流器的故障信號(hào)應(yīng)當(dāng)選用一種具有一定抗干擾性、局部細(xì)節(jié)分析能力強(qiáng)的信號(hào)處理方法。綜合考慮小波分析方法特長(zhǎng)和變流器的故障信號(hào)特點(diǎn)，決定選擇小波分析對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理。

2.3選擇小波

Daubechies小波的緊支集長(zhǎng)度與濾波器長(zhǎng)度為2N左右，消失矩為N，具有正交性、擴(kuò)展性好、不對(duì)稱、N增加光滑度隨之也上升等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)變流器的故障信號(hào)特點(diǎn)，本文選擇db3小波以滿足各方面指標(biāo)的要求。

2.4多層分解故障信號(hào)

預(yù)處理原始故障信號(hào)后，選用合適小波N層分解故障信號(hào)。分解之后，提取最后一層的低頻系數(shù)和所有層的高頻系數(shù)，共得到N+1個(gè)參量。一般而言，故障不同，電壓畸變波形不同，所得到的N+1個(gè)參量也將有所不同，且故障類型、電壓畸變波形和這些參量之間存在某種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，能夠通過(guò)分析N+1個(gè)參量的變化判別變流器的功率器件發(fā)生斷路故障的情況。

2.5重構(gòu)各頻段信號(hào)

重構(gòu)各小波頻段信號(hào)，計(jì)算各頻段信號(hào)的能量大小。由于在第4步中，得到的N+1個(gè)能反映故障情況的參量是屬于圖形參量，因此不便于故障診斷系統(tǒng)的利用。為方便故障診斷，我們需要將這些圖形參量數(shù)值化。為此，計(jì)算各頻段信號(hào)蘊(yùn)含的能量值，以實(shí)現(xiàn)上述N+1個(gè)圖形參量的數(shù)值化。計(jì)算方法如下：設(shè)Ei， j代表第i層第j個(gè)重構(gòu)信號(hào)Si， j的能量值，則：其中，n為離散信號(hào)的長(zhǎng)度，xjm表示重構(gòu)信號(hào)在離散點(diǎn)的幅值，K=0，代表計(jì)算低頻段能量，K=1表示計(jì)算高頻段信號(hào)能量。

2.6構(gòu)造故障特征向量

按照第5步提供的各頻段能量計(jì)算方法，一一計(jì)算前述N+1個(gè)頻段的能量值，然后設(shè)定一個(gè)固定次序進(jìn)行排列，即可構(gòu)造得到一個(gè)向量：■■，該向量既是能夠反映故障情況的故障特征向量。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了CRH2動(dòng)車組變流器故障信號(hào)的特征提取辦法，主要內(nèi)容包括故障信號(hào)的合理選取、故障信號(hào)處理手段的選擇以及故障特征向量的構(gòu)造。為整個(gè)故障診斷系統(tǒng)解決了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

［1］張學(xué)甲.CRH2牽引變流器故障分析及其診斷方法研究［D］.長(zhǎng)沙，中南大學(xué)碩士論文，2014.

［2］李嵐.動(dòng)車組主變流器故障診斷技術(shù)研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（33）.

［3］文正其.電力機(jī)車電氣系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)碩士論文，2011.

本論文是2015年度湖南省教育廳科學(xué)研究青年專項(xiàng)《列車制動(dòng)及車輪失圓實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)》（編號(hào)：15B155）的階段研究成果。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.265