一种潜水电机轴承故障时的电流信号预处理方法

本发明属于电机故障诊断领域，具体的说是一种潜水电机轴承故障时的电流信号预处理方法。

背景技术：

1、轴承广泛应用于各种电机驱动系统，在其整个使用寿命内容易受到各种形式的损坏。由于轴承故障的不可观测性和缓慢发生的性质，对此类故障的诊断一直是工业界的重点，以防止电机故障甚至人员伤亡。尽管轴承状态监测(bcm)和轴承故障诊断(bfd)最近取得了进展，但基于振动的技术仍然是最常用的方法。然而，振动监测的主要缺点是成本。振动传感器价格昂贵，其安装仅适用于大型电机。基于振动的监测的另一个相当大的缺点是它需要直接访问机器。在某些应用中，在设备安装后，很难在机器上安装振动传感器。

2、alberto bellini在diagnosis ofbearing faults in induction machines byvibration or current signals critical comparison中分析了转矩脉动对电机电流的影响，为使用电流信号来诊断电机轴承故障提供了可能性。而在工业应用中，电机电流很容易通过现有的电流互感器测量，这些电流互感器总是作为保护系统的一部分安装。基于电流的监测是非侵入性的，甚至可以在电机控制中心远程实现。因此，目前的监测提供了显著的实施和经济效益。然而，在基于电流的bcm和bfd中，挑战在于电流的主要成分作为噪声信号的存在。

3、事实上，典型感应电机的电流涉及主要成分，如电源基波及其多重谐波，齿槽谐波，饱和谐波以及来自未知来源的其他成分，包括环境噪声。由于这些主要成分存在于轴承缺陷之前和之后，因此它们所包含的大部分信息与轴承缺陷无关。从这个意义上说，它们基本上是对bfd和bcm问题的噪声。特别说明，本文中噪声是指电流中与轴承缺陷无关的成分，除非另有说明。相反，信号指的是轴承故障注入的成分。

4、电流信号中存在噪声成分会导致相当大的误报可能性，主要是因为从电机电流中提取的故障特征振幅较小，并且隐藏在噪声环境中。为了检测轴承缺陷特征，必须消除所有或部分这些噪声分量。

5、尽管目前基于bfd和bcm的研究取得了进展，但仍存在一些悬而未决的问题由于信噪比低，利用电流信号检测和诊断轴承早期故障仍然具有挑战性。

6、此外，特别是对于基于深度学习的方法，更依赖于多层网络的降噪能力，尽管其基本原理尚未得到全面阐明。而如果将原始信号作为网络的直接输入，会增加网络的深度，从而导致收敛速度减慢和训练时间更密集。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种潜水电机轴承故障时的电流信号预处理方法，以期能消除基波分量及其奇多次谐波分量，并通过消除具有最小显著性的分量来进一步细化处理后的故障信号，从而能有效提高故障信号的信噪比和后续信号的处理效率。

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种潜水电机轴承故障时的电流信号预处理方法的特点在于，是按如下步骤进行：

4、步骤一：获取电流信号；

5、步骤1.1：利用式(1)构建电机定子在轴承故障下t时刻的单相电流if(t)；

6、

7、式中，ih(t)表示电机定子在正常条件下t时刻的单相电流，im为正常条件下电机定子的电流幅值，ωs为电源角频率，ωc为轴承故障的主角频率，βn表示转矩n次谐波对应的电流n次谐波的调制指数；

8、步骤1.2：对式(1)进行等式变换，得到式(2)：

9、

10、步骤二：时移变换；

11、步骤2.1：利用式(3)将if(t)延迟半个周期得到延迟后的单相电流

12、

13、步骤2.2：利用式(4)得到t时刻的信号残差ires(t)：

14、

15、式(4)中，ifc(t)是if(t)中的故障分量；

16、步骤三：小波降噪；

17、步骤3.1：确定分解层数后，对ires(t)进行小波分解，得到各层小波近似参数和细节参数；

18、步骤3.2：将高频信号对应的小波细节参数设置为零，得到处理后的各层小波细节参数；

19、步骤3.3：对处理后的各层细节参数和近似参数进行小波分解逆运算，以重构降噪信号，从而得到预处理后的定子电流信号。

20、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

21、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述方法的步骤。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、1、本发明通过将电机定子电流信号与延迟半周期之后的定子电流信号混合得到残差，从而消除了定子电流信号中包括基波信号及其奇数次谐波在内的噪声，从而提高了信噪比；

24、2、本发明通过将零权重分配给高频电流参数，消除了定子电流信号中的高频噪声，从而提高了信噪比。

技术特征：

1.一种潜水电机轴承故障时的电流信号预处理方法，其特征在于，是按如下步骤进行：

2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种潜水电机轴承故障时电流信号预处理的方法，包括：1采用特定的阻尼系数，将单点轴承故障对电机转矩负载的影响转化为对定子电流的影响；2通过将原始电流信号与其半周期延迟信号混合并得到当前残差，3、应用小波变换方法来处理残差，以进一步细化处理后的信号。本发明能有效地消除基波分量及其奇数次谐波分量，以及具有最小显著性的分量，从而能提高故障信号的信噪比和后续信号的处理效率。

技术研发人员：鲍晓华,尹殿凯,关博凯,邱浩天,冯睿,甘源
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19