摘 要：本文介绍了变频调速系统的广泛应用及其故障诊断的重要性。采用了多种小波消噪方法方法对故障信号进行处理，经过分析比较确定了最佳小波消噪方法。由分析结果可知消噪后的信号更利于故障信号特征的提取，为快速准确对进行故障诊断打下良好的基础。

　　关键词：变频调速系统 故障诊断 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

　　随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的广泛应用，变频调速技术得到了飞速发展及广泛的应用。交流变频调速是异步电机最有发展前途的调速方法，在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐，因此在工矿企业得到广泛应用。变频器和电动机是变频调速系统中的重要组成部分，因而它们故障检测与诊断问题在整个系统中占重要成分。其中变频器中的功率半导体器件及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节[1]，其可靠性问题一直没用得到充分解决。本文主要对变频器发生故障时采集的电流电压信号进行小波消噪，并对处理后的信号进行频谱分析。

　　2.小波消噪的原理

　　在小波分析中，应用最为广泛的无疑是信号处理及图像处理，而在这两领域中，应用最多的就是信号（图像）的消噪和压缩。正由于在正交小波中，正交基的选取比传统方法更接近实际信号本身，所以通过小波变换可以更好地分离出噪声和其他我们不需要的信息，因此在这类应用中小波分析有着传统方法无可比拟的优势。

　　信号消噪准侧是光滑性和相似性。光滑性即在大部分情况下，消噪后的信号应该至少和原信号具有同等的光滑性。相似性即消噪后的信号和原信号的方差估计应该是最坏情况下的最小值。

　　小波分析用于信号消噪的过程：

　　（1） 分解过程：选定一种小波，对信号进行N层小波（包）分解。

　　（2） 作用阈值过程：对分解得到的各层系数选择一个阈值，并对细节系数作用软阈值处理

　　（3） 重构过程：消噪处理后的系数通过小波（包）重构恢复原始信号。

　　基本小波消噪模型如下：

图1 小波消噪过程模型

　　（1）原始信号f .（2）噪声信号w .（3）信号在小波域的表示Lψ，即原信号（含噪声）在小波变换下的分解系数。（4）阈值算子Fδ：阈值算子作用后，模值小的系数被置为零，只保留模值大的系数项，即

　　（2-1）

　　（5）掩码算子 ：掩码算子作用的结果是保留特定的系数并把其他得系数置为零，即

　　（2-2）

　　可以看出，掩码算子是阈值算子的推广，可以通过引入系数模值的掩码算子来实现阈值算子。

　　由上述小波消噪过程模型可以看出，小波消噪的核心步骤是在系数上作用阈值。阈值的选取直接影响消噪的质量，人们为此提出了各种理论的和经验的模型。本文就变频器发生故障时的电动机的电流信号采用基于原始信号确定各级阈值模型进行消噪处理。经过分析比较选择合适的最佳消噪方法。

　　基于原始信号的确定各级阈值方法，阈值确定有以下三种数学模型：

　　（1） 缺省的阈值确定模型，阈值由公式（2-3）给出：

　　（2-3）

　　式中，n为信号的长度， σ为噪声强度。

　　（2） Birge-Massart策略确定阈值通过如下规则求得：

　　1给定一个指定的分解层数j，对j+1以及更高层，所有系数保留;

　　2对第i层（1≤i≤j）,保留绝大值最大的ni个系数，ni由公式（2-4）确定

　　（2-4）

　　其中M和α为经验系数。

　　（3） 小波包变换中的Penalty策略阈值公式（2-5）（2-6）确定：

　　令t为使得函数 （2-5）

　　取得最小值的t，其中ck为小波包分解系数排序后第k个系数。n为系数的总数，那么阈值 （2-6）

3.实验数据采集及消噪处理

　　本实验采用基于双变量控制理论的自然无环流控制方式的交交变频器[4]来对电动机进行调速控制。实验系统原理图如图2.数据采集及分析框图如图3

图2实验系统原理图

图3数据采集及分析框图

　　变频器常见故障有开关元件断路，短路及保护元件电阻电容等故障，本文主要对晶闸管开路故障进行分析，从原理图可知此种情况故障也分好多种[5]。本实验人为地将V相3号晶闸管断开，用虚拟仪器进行数据采集。

图4 正常和故障时电流信号及其频谱图

　　本文采用选用db3小波，对故障信号进行4层小波分解。并采用上述三种阈值确定规则分别对信号进行消噪并重构，同时对重构后的信号进行频谱分析。消噪后信号及其频谱图如图5所示。

图5消噪后信号及其对应频谱图

　　由图3、4可知变频器故障时电流信号波形会发生变化，由频谱图可知正常时谐波分量以5、7、11、13、17、19为主，而故障时会出现偶次谐波含量，同时出现3次谐波而正常不会出现。由图5对故障时电流信号采用三种消噪方法进行处理可知，penalty阈值和缺省阈值较Birge-Massart策略消噪后信号的光滑性和相似性好，而缺省阈值效果最好。

　　4.结论

　　本文介绍了小波变换用于信号消噪的原理及其常见的阈值确定问题，针对变频调速系统晶闸管开路故障时进行数据采集及分析研究，通过实验分析研究可知消噪后的信号明显的去除了噪声干扰信号的影响，为更准确的提取故障特征奠定基础。

　　参考文献

　　[1]孙丰涛.变频器故障诊断技术研究与分析.电机与控制学报[J],2005,9（3）:272-274.

　　[2]高成,董长虹.Matlab小波分析与应用.北京.国防工业出版社,2007,7.

　　[3]索进章,梁昭峰,董守龙,等小波阈值去噪法在超声信号处理中的应用[J]

　　[4]杜庆楠，王新，陈立香.相控变流器和变频器双变量控制理论的研究[J]，煤炭学报，2000， （12）：154-157.

　　[5]崔博文.电动机变频调速系统故障检测与诊断技术研究:[博士学位论文].西安:西北工业大学,2002.