小波神经网络在三相桥式全控整流装置故障诊断中的应用

1、PE 电力电子 2007年第 1期30 小波神经网络在三相桥式 全控整流装置故障诊断中的应用李玉超 高沁翔 冯 楠(北京交通大学电气工程学院,北京 100044摘要 本文在自行研制的三相桥式全控整流装置的基础上,引入小波分析与神经网络的手段对 实验装置进行特征向量的提取和故障模式的识别,为实验装置设计一个故障智能诊断系统,以实现 对装置故障的快速、准确诊断。关键词:整流装置;小波分析;BP 神经网络;故障诊断The Application of Wavelet Neural Network in The Fault Diagnosis ofThree-Phase Bridge Full-Con

2、trol Rectification DeviceLi Yuchao Gao Xingxiang Fei Nan(School of Electrical Eng., Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China Abstract Based on the developed three-phase full-control rectification device, this paper introduces measures of wavelet analysis and neural network to acquire the f

3、ault characteristics and identify the fault modes of the device. Then, an intelligent diagnosis system is built to diagnose faults of the device quickly and exactly.Key Words: Rectification Device; Wavelet Analysis; BP Neural Network; Fault Diagnosis1 引言设 备 诊 断 技 术 (Machine Condition Diagnosis Techn

4、ique 是一门包含很多新科技内容的综合技术。 其基本原理是根据机械、 电气等各类设备运行过程中 产生的各种信息, 判断设备运行是否发生了异常。 它 能够实现设备在带负荷运行时或基本上在不拆卸的 情况下, 通过对其状态参数的检测和分析, 判断是否 存在异常和故障以及故障的位置和原因, 并对设备未 来状态进行预测。 它具体包括检查和发现异常、 诊断 故障状态和部位、分析故障类型三个基本环节。三 相全控整流电路的整流负载容量较大,输出 直流电压脉动较小,是目前应用最为广泛的整流电 路。本文的研究对象是自行研制的全工况仿真发电 机励磁控制的三相桥式全控电路,通过该装置的仿 真实验,可以使相关专业人员

5、、在校学生很好地掌 握发电机励磁装置及电力电子电路、器件的工作特 性。 在此基础上, 采用故障诊断领域的新兴技术 小波分析和神经网络对整流装置进行故障诊断,以便快速准确地发现并定位故障,缩短维修时间,提高实验效率。 2 整流实验装置的简介图 1 三相桥式全控整流装置的总体设计原理框图如 图 1,装置分为三大部分:整流主电路、触 发移相控制电路、光电耦合隔离电路。整流电路主 要是对三相交流输入进行整流;移相触发电路主要 是用来控制晶闸管的触发角,获取可控的双脉冲; 光电耦合电路来实现光电隔离, 并对脉冲功率放大。 电网的三相交流电,经过开关和保险盒之后,一端电气技术PE 电力电子 2007年第

6、1期 31输入到三相变压器进行降压,另一端输入到同步变 压器进行采样。 降压之后的三相电 (36V 作为整流 电路的输入端,经同步变压器采样的电压作为触发 电路的输入端,触发电路外接一个直流电源来驱动 触发电路内部的芯片;光电耦合电路加在整流电路 和触发电路之间进行光电隔离和功率放大;在触发 电路和整流电路的各个输出端都接有测试孔,方便 检测装置内部各个工作点的波形。3 整流实验装置的故障故 障可以理解为系统中至少有一个重要变量或特性偏离了正常范围,使得系统表现出所不期望的 任何异常现象。显而易见,三相桥式全控整流实验 装置的故障主要包括以下四种:整流电路故障; 触发电路故障 (主芯片 KC0

7、4、 KC41发生故障 ; 隔离电路故障 (光耦 4N26发生故障 ; 三相交流 给电故障、线路故障及其他。限 于篇幅,本文仅对整流装置的核心电路 整流电路部分进行故障智能诊断研究。整流电路故 障诊断的方法较多,有特征函数法、沃尔什分析法、 神经网络法、参数估计法和频谱分析法等。本文采 用小波分析与神经网络结合的方法对装置故障进行 诊断,使用该方法有两个前提条件:(1整流电路中,晶闸管开路、串接熔断器熔 断、触发脉冲丢失等造成整流桥臂不导通的故障, 统称为晶闸管故障;(2 考虑到神经网络的识别能力及网络结构的 简化,最多同时有两个晶闸管发生故障。据统计, 80%的控制系统失效都是源于元器件 的

8、故障,元器件的故障大都表现为短路与断路,而 短路造成电流增大必然导致断路,所以本文主要研 究整流装置中晶闸管的断路故障。4 故障模式的编码图 2 三相桥式全控整流电路装 置的整流电路部分原理示意图如图 2,其故障类型大致可以分为以下五大类:类 (001正常; 类 (010单 管 断 路 , 具 体 包 括 6种 情 况 (010001-010110; 类 (011同相二管断路, 具体包 括 3种情况 (011001-011011;类 (100同臂二管断 路,具体包括 6种情况 (100001-100110;类 (101交叉二管断路, 具体包括 6种情况 (101001-101110。 具体的详

9、细描述见表 1:表 1 故障模式编码表故障类别 信号标名故障编码故障描述类 (001正常 工作正常 T1断 T2断 T3断 T4断 T5断 类 (010单 管断路 T6断 T1、 T4断 T3、 T6断 类 (011同 相二管断路 T5、 T2断 T1、 T3断 T1、 T5断 T3、 T5断 T4、 T6断 T2、 T4断 类 (100同 臂二管断路 T2、 T6断 T1、 T6断 T1、 T2断 T3、 T4断 T3、 T2断 T5、 T4断 类 (101交 叉二管断路 T5、 T6断5 故障特征向量的提取与处理装 置中整流电路晶闸管的断路故障必然表现为 输出电压信号的间断,即输出信号是两

10、种不同频率 信号的组合。对于间断检测的原理,我们可以理解 为:间断点是高频信息,比普通信号的频率要高出 很多。此外,整流装置多带感性负载,输出电流波 形变化平缓,而电压信号更便于识别。鉴于此,本 文首先利用 MATLAB/Simulink工具建立三相全控 整流电路的仿真模型(如图4所示 ,为方便起见, 触发电路用 PWM 六脉冲发生器代替,而 Demux 与 Mux 模块是为了便于模拟各个晶闸管的断路故障。 然后利用小波工具箱的 GUI 软件平台,选取 db3小 波对电压信号进行 6层分解。故障特征向量的提取方法不一,本文以各尺度分 解系数的最大值为特征数据加以研究。具体来讲,在 小 波 分

11、解 尺 度 图 中 , 利 用 GUI 平 台 的 统 计 功 能 (Statistics按钮 得出近似系数 a6, 细节系数 d 1、 d 2、 d 3、电气技术2007年第 1期32 d 4、 d 5、 d 6的最大值。为了提高神经网络的计算速度, 将数据作归一化处理, 令 PS=6221/21(6 ( i a di =+, 则得出 故 障 特 征 向 量 P=a6/PS d1/PS d2/PS d3/PSd 4/PS d5/PS d6/PS,作为 BP 神经网络的输入量。 图 4 装置中整流电路仿真模型图6 BP 神经网络的建立、训练与测试神 经网络是由大量的处理单元 (神经元 互相连

12、接而成的网络。其中 BP 神经网络 (Back-Propagation Neural Network是一种单向传播的多层前向网络, 包括输入层、 中间层 (隐层 与输出层, 上下层之间实 现全连接,而每层神经元之间无连接。当一组学习 样本提供给网络后,神经元的激活值从输入层经各 中间层向输出层传播,在输出层的各神经元处获得 网络的输入响应。接着按照减少目标输出与实际误 差的方向,从输出层经过各中间层逐层修正各连接 权值,最后回到输入层,这就是所谓的 “ 误差逆传播 算法 ” ,即 BP 算法的原理。网络的输入层神经元个数 n 1为 7个,输出层神 经元个数 6个,隐含层神经元个数根据经验公式为

13、 n 2=2 n1+1=15个。网络的输入向量范围为 0, 1,隐 含层的传递函数采用 S 型正切函数 tansig , 输出层传 递函数采用 S 型对数函数 logsig ,刚好满足网络输 出模式为 0-1的输出要求。输入向量 P=0.9999 0.0143 0.0061 0.00430.0026 0.0012 0.0008;0.9997 0.0194 0.0081 0.0065 0.0041 0.0020 0.0014;·· ·· ·· ·· ·· ··0.9997 0.

14、0190 0.0094 0.0081 0.0052 0.0027 0.0018;0.9997 0.0179 0.0083 0.00780.0049 0.0024 0.0016为 22x7矩阵。目标向量 T=0 0 1 0 0 1; 0 1 0 0 0 1; 0 1 0 0 1 0; 1 0 1 1 1 0为 22x6矩阵。 注意:利用 MATLAB 编写 m 文件时,为了使 P 阵与 T 阵维数匹配,需要 对二者进行转置处理。网络训练过程是一个不断修正权值和阈值的过 程,通过调整,使得网络的输出误差达到最小,满 足 实 际 应 用 的 要 求 。 训 练 函 数 trainlm 是 利 用 L

15、evenberg-Marquardt 算法对网络进行训练的,采用 该函数并设置适当的训练次数与性能误差,对已建 立的神经网络进行训练,结果如图 5: 图 5 BP 神经网络训练结果示意图(下转第 36页电气技术多状态指示灯 3:读 Y5多状态指示灯 4:读 Y4多状态指示灯 5:读 S22多状态指示灯 6:读 S23多状态指示灯 7:读 Y7数值显示 1: 读 D456结论PLC 对电子秤的数据采集具有简单、实用以及 可靠的特点,而触摸屏可以有效的减少所需的 PLC 点数且能实现过程监控,提高控制效率,从而在成 本较低的条件下实现了对电子秤数据的采集和对机 构的控制。此方案成功应用于汽车平衡块

16、整形分拣 系统中,通过实际运行结果表明,系统工作可靠稳 定,各项技术指标均达到了设计要求,实现了汽车 平衡块的整形与分拣。参考文献1 董淑冷 .PLC 在自动分拣系统中的应用 J.机床与液 压 .2005(52 张桂香 , 张志军 .PLC 的选型与系统配置 J.微计算机 信息(测控自动化 .2005,21(73 周青等 . 基于 PLC 和触摸屏同步发电机励磁调节器 J.大众用电 .2005(64 邱公伟 , 赵立 .PLC 网络结构及其通信机制分析研究 J.化工自动化及仪表 .1997(65 顾敏 .PLC 上位机通信功能的二次开发 J . 电子与自 动化 .1993(56 张崇智 .PC 与三菱 FX2N 型 PLC 串口通信的实现 J.机 床电器 .2005(37 隋静婵,刘就女,段念 . 基于图模型的高炉气采样仿 真系统 J.工程图学学报 .2005(4 7结论本 文介绍了