吳澤謀

（集美大學(xué)，福建廈門 361021）

0 引言

船用發(fā)電機(jī)組是船舶的重要組成部分，船用發(fā)電機(jī)是核心，發(fā)電機(jī)能否正常工作，關(guān)系到船舶能否正常航行[1]。若船舶臨時停電，主機(jī)無法保證潤滑，副泵無法工作，船艙及照明不能正常，某些導(dǎo)航設(shè)備甚至?xí)耆Э豙2]。所以隨時監(jiān)測發(fā)電機(jī)運(yùn)行具有重要意義。常規(guī)的故障檢測方法從故障到停電的時間都很短，所以值班人員必須在短時間內(nèi)掌握報警的實(shí)質(zhì)。但是，由于受現(xiàn)場環(huán)境和人為因素的影響，有時很難判斷出故障部件，從而導(dǎo)致誤判。發(fā)電機(jī)故障的在線實(shí)時監(jiān)測和故障診斷需要有一套優(yōu)秀的人工智能手段[3]。針對船舶發(fā)電機(jī)的勵磁三相整流電路故障，提出了基于波形分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法。該方法先采集整流電路的輸出波形，然后建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與故障的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷。

1 船舶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障檢測與維修

發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子匝間短路的故障診斷主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子勵磁電流的變化和匝間短路引起的轉(zhuǎn)子熱、磁不平衡來進(jìn)行的。電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路在運(yùn)行中常見的兩個特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)子振動異常；②激發(fā)電流相對增大。針對上述特點(diǎn)，可以分析正常運(yùn)行的機(jī)組在運(yùn)行中是否發(fā)生匝間短路故障[4]。系統(tǒng)匯集了維修領(lǐng)域眾多專家的知識與經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，針對汽車電噴發(fā)動機(jī)故障診斷日益復(fù)雜的特點(diǎn)，模擬電噴發(fā)動機(jī)故障專家診斷過程。結(jié)合故障樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫原理，構(gòu)建了一個較完整的知識庫，實(shí)現(xiàn)了確定性故障診斷所需的推理引擎；利用Visual C++和Access 2000作為EFI 發(fā)動機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，其主要功能實(shí)現(xiàn)如下：故障碼診斷功能；故障現(xiàn)象診斷功能；傳感器診斷功能；波形分析診斷功能；記錄的維護(hù)查詢、添加、修改、刪除功能；經(jīng)驗(yàn)診斷功能。

1.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障特征提取

船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子檢測線圈感應(yīng)電勢分析主要用于判斷轉(zhuǎn)子是否匝間短路，隱極型32 槽轉(zhuǎn)子是主要研究對象。轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)主要有3 種：正常工作狀態(tài)，10%匝間短路，20%匝間短路。當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時，安裝在定子與轉(zhuǎn)子之間的檢測線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小將受到轉(zhuǎn)子漏磁的影響[5]。在短路的情況下，轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)減小，感應(yīng)電動勢也隨之改變，通過繞組感應(yīng)電動勢的變化判斷轉(zhuǎn)子是否匝間短路。針對電感電動勢變化前后信號頻率會發(fā)生變化的特點(diǎn)，利用小波頻帶能量分析方法，提取電感電動勢變化前后信號頻帶能量，作為故障診斷的特征值。利用小波變換所得的系數(shù)可獲得頻帶能量，步驟如下：

（1）利用三層小波包對感應(yīng)電動勢信號進(jìn)行分解，得到8 個頻段的第三層。假定原信號最低頻率為0，最高頻率為f，在小波包分解后，每一層的頻率范圍為3。

（2）在第三層，通過信號分解，實(shí)現(xiàn)低頻到高頻的單支重構(gòu)，分別提取重構(gòu)后各頻段的能量。

（3）對提取的能量進(jìn)行歸一化，提取了艦船發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在正常和故障情況下的故障特征值。

1.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障識別

采用人工智能技術(shù)識別發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障，主要步驟如下：

（1）采用小波包分解后得到的各頻段的能量特征值作為人工智能的輸入，通常采用10%匝間短路和20%匝間短路作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的預(yù)期輸出。

（2）按照艦船發(fā)電機(jī)故障診斷的設(shè)計原則，確定了8 個輸入層神經(jīng)元和2 個輸出層神經(jīng)元和2 個隱含層神經(jīng)元的數(shù)目。

（3）在不同的運(yùn)行條件下，分析正常運(yùn)行狀態(tài)模擬波形數(shù)據(jù)和各發(fā)電機(jī)故障模擬波形數(shù)據(jù)，將它們作為.lvm 類型文件退出Matlab，并按照“運(yùn)行conditions-operating 狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)”格式命名為“錯誤組件故障mode-normal”。取得所有情況下的波形數(shù)據(jù)文件，儲存在"generator all data"文件夾中，提供給發(fā)電機(jī)故障模擬平臺。這個過程顯示在圖1 中。

圖1 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)存儲流程

第一步，選擇工況輸入、運(yùn)行狀態(tài)輸入、故障元件輸入和故障模式輸入；把4 個條件結(jié)合起來獲得結(jié)合的輸入。船舶上通常配備3 臺同容量的主發(fā)電機(jī)，另外一臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)，因此在相同的運(yùn)行條件下，3 個發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可能不同，因此可在“組合方式”表中查找到組合方式，判定組合模式是否存在，組合模式是否正確。若混合模式不正確，則需要重新選擇混合模式中的每個輸入量，直到找到正確的混合輸入模式為止。

1.3 故障維修

（1）孔外檢驗(yàn)在現(xiàn)場加工中比較常用。技術(shù)人員分析轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)的動態(tài)多點(diǎn)匝間短路，確定是否在孔外檢測轉(zhuǎn)子。技術(shù)員用內(nèi)窺鏡檢查旋翼的形狀，如未發(fā)現(xiàn)更明顯的故障點(diǎn)，則需配合雙極性電壓平衡試驗(yàn)和線圈分布電壓試驗(yàn)，進(jìn)一步檢測回廠后的處理效果，送往生產(chǎn)廠家加工的設(shè)備更要保證在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動之間發(fā)生短路后，通常需要拆除保護(hù)環(huán)、線圈等。為此，建議對轉(zhuǎn)子送廠進(jìn)行全面檢修，以確保機(jī)組經(jīng)過初步現(xiàn)場處理后能正常、高效、長期、穩(wěn)定地運(yùn)行。

（2）返廠加工主要是檢查轉(zhuǎn)子的起卷情況，在勵磁正極和負(fù)極線圈位置不同的情況下，進(jìn)行匝間短路點(diǎn)的定位與處理。盡管返回過程需要大量時間，維護(hù)成本增加了，但是返工的效率提高了?，F(xiàn)場處理后，可初步判定轉(zhuǎn)子為多點(diǎn)動態(tài)匝間短路，推薦轉(zhuǎn)子直接回廠加工。

（3）一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時與生產(chǎn)廠家溝通，盡量縮短返工時間，盡量選擇技術(shù)實(shí)力強(qiáng)的產(chǎn)品，有經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場加工技術(shù)人員對設(shè)備的搶修及后期返工有很大的指導(dǎo)作用。對縮短維修周期、減少經(jīng)濟(jì)損失也起著重要作用。

2 船舶發(fā)電機(jī)激磁電流故障檢測與維修

無刷同步交流發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測是通過各種傳感器對發(fā)電機(jī)運(yùn)動時所產(chǎn)生信號的檢測，精準(zhǔn)抓住各種可能出現(xiàn)故障的信號特征，這是船舶發(fā)電機(jī)激磁電流故障檢測與維修關(guān)鍵所在。因此，需先檢測船舶發(fā)電機(jī)激磁電流故障，再進(jìn)行故障維修。

2.1 船舶發(fā)電機(jī)激磁電流故障檢測

船舶發(fā)電機(jī)勵磁電流，取二繞組四繞組相復(fù)勵磁變壓器的三相交流電壓，用硅整流得到，發(fā)電機(jī)勵磁電流電路如圖2 所示。

通過三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將故障類型和故障元件代碼與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出相對應(yīng)。圖2 整流器輸出電壓Ud波形的實(shí)時采樣及數(shù)據(jù)處理，以圖2 中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本為例，建立了輸入信息和故障元件編碼的一致性，實(shí)現(xiàn)了整流裝置的智能判斷。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的反傳算法。首層為輸入層，接收以Xi（i=1，2，…，n）表示的外部信息；中間為隱藏層；第三層是輸出層，采用Yk表示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出采用6 位二進(jìn)制碼。將所需模式識別的輸入節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給每一個隱層節(jié)點(diǎn)，通過隱層節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)，將其傳遞給輸出節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生誤差信號，采用梯度下降法，對誤差信號進(jìn)行分層，調(diào)整權(quán)值和閾值，然后再傳回輸入層。重復(fù)循環(huán)的前傳和后傳，直到誤差達(dá)到精度要求。若神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為“1”，其余元件為“0”，則表明第三個二極管有故障，而其他的沒有。若神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時具有“1”和“0”的輸出，則5，6 個二極管同時失效。通過這種方式，值班員或維護(hù)人員還可以根據(jù)輸出“0”和“1”使用聲光報警來判斷故障或故障點(diǎn)。

圖2 發(fā)電機(jī)勵磁電流電路

2.2 故障維修

由于傳統(tǒng)船舶發(fā)電機(jī)故障檢測沒有電流檢測環(huán)節(jié)，因此，可加入電流內(nèi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對電流無差控制，用于實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)激磁電流控制。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合日常運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，針對無刷同步交流發(fā)電機(jī)電流不平衡問題，采取了如下措施：

通過對上述電路分析，忽略支路電容問題，則正序電壓、電流數(shù)值可用于正序電路計算。為消除負(fù)序電流，將正序電流作為輸出電流參考值，忽略整流器調(diào)制過程中所產(chǎn)生的諧波問題。即假設(shè)整流器三相電壓給出的三相電壓參考指令與控制預(yù)計方案基本一致，則可獲取電流參考指令表達(dá)式。由于電壓外環(huán)存在閉環(huán)控制，因此，需通過調(diào)節(jié)參考信號實(shí)現(xiàn)有功和無功功率設(shè)定，即使參考指令中的負(fù)序電流項被消除，也可通過參考信號調(diào)節(jié)，保證設(shè)定電壓與預(yù)期電壓指令一致。

實(shí)時了解電路動態(tài)特性，分析電壓、電流穩(wěn)態(tài)關(guān)系，雖然電流指令計算與電路參數(shù)存在一定關(guān)系，但由于有功和無功控制中存在積分環(huán)節(jié)，因此，需將并網(wǎng)功率輸出數(shù)值與設(shè)定數(shù)值保持相同。當(dāng)三相電壓平衡時，整流器穩(wěn)定狀態(tài)下傳遞函數(shù)為定值，因此不起作用，此時應(yīng)計算出電流參考指令，即為電流實(shí)際值，因此，電壓參考值經(jīng)過電流參考指令模塊和內(nèi)環(huán)控制后保持不變。當(dāng)電流不平衡時，負(fù)序電流抑制不起作用，因此，無需故障檢測，也無需控制模式切換，由此完成船舶發(fā)電機(jī)激磁電流故障維修。

3 結(jié)束語

船舶發(fā)電機(jī)是船舶動力系統(tǒng)的核心。如果出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響船舶的正常航行，甚至危及船員的生命安全。所以對船舶發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障診斷是非常必要的。今后的工作是建立一套硬件采集系統(tǒng)，采集真實(shí)的船舶發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，取代故障模擬平臺。船舶發(fā)電機(jī)故障診斷可以從電力擴(kuò)展到機(jī)械方向，采用電氣和機(jī)械相結(jié)合的方法。在實(shí)際工作環(huán)境下，對診斷平臺進(jìn)行實(shí)際測試的可行性，構(gòu)建多診斷系統(tǒng)共享分析結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。