CRH2動車組變流器故障信號特征提取的分析與研究

陳 慶，楊夢勤，肖 茜（.湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南 株洲 400；.株洲市工業(yè)中等專業(yè)學校，湖南 株洲 4008）

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CRH2動車組變流器故障信號特征提取的分析與研究

陳 慶1，楊夢勤1，肖 茜2
（1.湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412001；2.株洲市工業(yè)中等專業(yè)學校，湖南 株洲 412008）

摘要：本文立足于CRH2動車組變流器的結構與工作特點，對其故障信號分析方法、故障信號選擇、故障特征提取等問題進行分析與研究。為鐵路故障分析與排除提供參考。

關鍵詞：動車組變流器；故障信號；小波分析

0　引言

動車組變流器一旦發(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。一般來講，不同的斷路故障會導致參量波形發(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，及時準確地獲取故障信號，然后挖掘故障信號的特征，是故障診斷工作的第一步。

1　小波分析法

目前信號分析手段多種多樣，各有其優(yōu)點和側重點。對于故障診斷而言，合理選擇信號分析方法對故障信號進行處理是一項十分重要的工作。如果方法選擇得當，能夠充分挖掘得到故障信號所隱含的故障信息，便于準確定位故障部件。因此，為了能選擇合適的信號處理方法，應根據(jù)研究對象具體分析信號的特點，然后據(jù)此選擇信號處理手段。

CRH2動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數(shù)量的IGBT、二極管等器件構成。總體來看，它的電路結構比較復雜、精細，進而導致一旦變流器發(fā)生斷路故障，部分不同故障的故障信號相似度較高、彼此差別不大。這些特點決定了所選擇的信號分析方法應該要有較強的細節(jié)辨識能力，能夠準確挖掘到信號細節(jié)中蘊藏的豐富信息，為故障類型的準確分類提供有力線索。小波分析是一種新穎的信號分析方法，它的信號局部細節(jié)分析能力突出，能對信號進行時域和頻域分析，是一種能充分挖掘信號細節(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的處理手段。下面將簡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空間，Ψ（ω）滿足。Ψ（t）稱為基本小波或母小波。經伸縮與平移，母波可生成的一系列函數(shù)，構成一個小波函數(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。尺度因子實現(xiàn)基小波的伸縮變換，一般地，尺度因子增大，時域分析范圍擴大，但是時域分辨率將有所降低。平移因子實現(xiàn)基波的橫向平移，目的是聚焦分析時域的重要興趣點。是為了確保變換前后能量守恒。

小波函數(shù)的本質是帶通濾波器，尺度因子a 不同，那么Ψa， b（t ）的時間和頻率分辨率也有所不同。當a 減小時，Ψa， b（t ）收縮、振蕩頻率增大，高頻信號的時間分辨率較好。反之，當a 增大時，Ψa， b（t ）伸展、振蕩頻率減小，低頻信號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：

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

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

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

2　CRH2動車組變流器故障特征提取

2.1合理選取故障信號

根據(jù)基本電路知識可知，動車組牽引變流器的輸出電流以及交流側輸入電流會受電機等負載的影響，負載不同會導致這兩個電流隨之而不同。進一步深入分析可知，變流器的輸出電壓以及交流側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構。在變流器正常工作的情況下，脈沖整流器和逆變器電路結構固定，上述兩種電壓不會出現(xiàn)波形變化。然而，如果功率器件發(fā)生故障，變流器的電路結構必然發(fā)生變化，從而引發(fā)輸出電壓以及交流側輸入電壓波形的畸變。另一方面，不同的功率器件斷路對應不同的電路結構，這兩個電壓波形也不同。因此，電壓波形蘊含了豐富的故障信息，反映電路的不同故障。所以可以通過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輸入電壓作為故障信號。

2.2選擇小波分析處理故障信號

故障特征是故障診斷的重要決策依據(jù)。選擇合理信號處理手段充分挖掘故障特征對提高故障診斷率具有重要意義。從故障信號角度來看，由于動車組變流器結構復雜而精細，發(fā)生故障時，電壓波形有時不一定有顯著形變，各種故障所對應的電壓波形之間的區(qū)別也可能較為細微。其次，動車組工作環(huán)境復雜，變流器的故障電壓難免混入干擾信號，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又含有各種干擾信號。因此，動車組變流器的故障信號應當選用一種具有一定抗干擾性、局部細節(jié)分析能力強的信號處理方法。綜合考慮小波分析方法特長和變流器的故障信號特點，決定選擇小波分析對故障信號進行處理。

2.3選擇小波

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

2.4多層分解故障信號

預處理原始故障信號后，選用合適小波N層分解故障信號。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應關系。因此，能夠通過分析N+1個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重構各頻段信號

重構各小波頻段信號，計算各頻段信號的能量大小。由于在第4步中，得到的N+1個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，計算各頻段信號蘊含的能量值，以實現(xiàn)上述N+1個圖形參量的數(shù)值化。計算方法如下：設Ei， j代表第i層第j個重構信號Si， j的能量值，則：其中，n為離散信號的長度，xjm表示重構信號在離散點的幅值，K=0，代表計算低頻段能量，K=1表示計算高頻段信號能量。

2.6構造故障特征向量

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

3　結束語

本文主要研究了CRH2動車組變流器故障信號的特征提取辦法，主要內容包括故障信號的合理選取、故障信號處理手段的選擇以及故障特征向量的構造。為整個故障診斷系統(tǒng)解決了一個關鍵問題。

參考文獻：

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本論文是2015年度湖南省教育廳科學研究青年專項《列車制動及車輪失圓實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)》（編號：15B155）的階段研究成果。

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