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　　摘 要：本文介紹了變頻調速系統的廣泛應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故障信號進行處理，經過分析比較確定了最佳小波消噪方法。由分析結果可知消噪后的信號更利于故障信號特征的提取，為快速準確對進行故障診斷打下良好的基礎。

　　關鍵詞：變頻調速系統 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、大規模集成電路和計算機控制技術的發展，以及現代控制理論的廣泛應用，變頻調速技術得到了飛速發展及廣泛的應用。交流變頻調速是異步電機最有發展前途的調速方法，在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優勢，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業行業的青睞，因此在工礦企業得到廣泛應用。變頻器和電動機是變頻調速系統中的重要組成部分，因而它們故障檢測與診斷問題在整個系統中占重要成分。其中變頻器中的功率半導體器件及其控制電路是最易發生故障的薄弱環節[1]，其可靠性問題一直沒用得到充分解決。本文主要對變頻器發生故障時采集的電流電壓信號進行小波消噪，并對處理后的信號進行頻譜分析。

　　2.小波消噪的原理

　　在小波分析中，應用最為廣泛的無疑是信號處理及圖像處理，而在這兩領域中，應用最多的就是信號（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方法更接近實際信號本身，所以通過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，因此在這類應用中小波分析有著傳統方法無可比擬的優勢。

　　信號消噪準側是光滑性和相似性。光滑性即在大部分情況下，消噪后的信號應該至少和原信號具有同等的光滑性。相似性即消噪后的信號和原信號的方差估計應該是最壞情況下的最小值。

　　小波分析用于信號消噪的過程：

　　（1） 分解過程：選定一種小波，對信號進行N層小波（包）分解。

　　（2） 作用閾值過程：對分解得到的各層系數選擇一個閾值，并對細節系數作用軟閾值處理

　　（3） 重構過程：消噪處理后的系數通過小波（包）重構恢復原始信號。

　　基本小波消噪模型如下：

圖1 小波消噪過程模型

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

　　（2-1）

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

　　（2-2）

　　可以看出，掩碼算子是閾值算子的推廣，可以通過引入系數模值的掩碼算子來實現閾值算子。

　　由上述小波消噪過程模型可以看出，小波消噪的核心步驟是在系數上作用閾值。閾值的選取直接影響消噪的質量，人們為此提出了各種理論的和經驗的模型。本文就變頻器發生故障時的電動機的電流信號采用基于原始信號確定各級閾值模型進行消噪處理。經過分析比較選擇合適的最佳消噪方法。

　　基于原始信號的確定各級閾值方法，閾值確定有以下三種數學模型：

　　（1） 缺省的閾值確定模型，閾值由公式（2-3）給出：

　　（2-3）

　　式中，n為信號的長度， σ為噪聲強度。

　　（2） Birge-Massart策略確定閾值通過如下規則求得：

　　1給定一個指定的分解層數j，對j+1以及更高層，所有系數保留;

　　2對第i層（1≤i≤j）,保留絕大值最大的ni個系數，ni由公式（2-4）確定

　　（2-4）

　　其中M和α為經驗系數。

　　（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 （2-5）

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

3.實驗數據采集及消噪處理

　　本實驗采用基于雙變量控制理論的自然無環流控制方式的交交變頻器[4]來對電動機進行調速控制。實驗系統原理圖如圖2.數據采集及分析框圖如圖3

圖2實驗系統原理圖

圖3數據采集及分析框圖

　　變頻器常見故障有開關元件斷路，短路及保護元件電阻電容等故障，本文主要對晶閘管開路故障進行分析，從原理圖可知此種情況故障也分好多種[5]。本實驗人為地將V相3號晶閘管斷開，用虛擬儀器進行數據采集。

圖4 正常和故障時電流信號及其頻譜圖

　　本文采用選用db3小波，對故障信號進行4層小波分解。并采用上述三種閾值確定規則分別對信號進行消噪并重構，同時對重構后的信號進行頻譜分析。消噪后信號及其頻譜圖如圖5所示。

圖5消噪后信號及其對應頻譜圖

　　由圖3、4可知變頻器故障時電流信號波形會發生變化，由頻譜圖可知正常時諧波分量以5、7、11、13、17、19為主，而故障時會出現偶次諧波含量，同時出現3次諧波而正常不會出現。由圖5對故障時電流信號采用三種消噪方法進行處理可知，penalty閾值和缺省閾值較Birge-Massart策略消噪后信號的光滑性和相似性好，而缺省閾值效果最好。

　　4.結論

　　本文介紹了小波變換用于信號消噪的原理及其常見的閾值確定問題，針對變頻調速系統晶閘管開路故障時進行數據采集及分析研究，通過實驗分析研究可知消噪后的信號明顯的去除了噪聲干擾信號的影響，為更準確的提取故障特征奠定基礎。

　　參考文獻

　　[1]孫豐濤.變頻器故障診斷技術研究與分析.電機與控制學報[J],2005,9（3）:272-274.

　　[2]高成,董長虹.Matlab小波分析與應用.北京.國防工業出版社,2007,7.

　　[3]索進章,梁昭峰,董守龍,等小波閾值去噪法在超聲信號處理中的應用[J]

　　[4]杜慶楠，王新，陳立香.相控變流器和變頻器雙變量控制理論的研究[J]，煤炭學報，2000， （12）：154-157.

　　[5]崔博文.電動機變頻調速系統故障檢測與診斷技術研究:[博士學位論文].西安:西北工業大學,2002.