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  • 頭條借助于音頻特征,預(yù)測(cè)交流接觸器電壽命的新方法
    2022-01-01 作者:游穎敏 王景芹 等  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))、溫州大學(xué)樂(lè)清工業(yè)研究院的研究人員游穎敏、王景芹、舒亮、倪侃、周新城,在2021年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,分析了交流接觸器工作過(guò)程中產(chǎn)生的音頻信號(hào)特征變化,提出了交流接觸器電壽命預(yù)測(cè)方法。研究成果對(duì)于提高低壓配電系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性與安全性,縮短交流接觸器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

    交流接觸器的電壽命指標(biāo)是其關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。通常交流接觸器的機(jī)械壽命可達(dá)上百萬(wàn)次,但是電壽命只有幾萬(wàn)次,電壽命的優(yōu)劣直接影響低壓配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量與水平。

    目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流接觸器電壽命預(yù)測(cè)的研究主要集中于退化參數(shù)的分析方法,如觸頭磨損、吸合時(shí)間、觸頭接觸電阻、燃弧能量等參數(shù)的分析。這些基于退化參數(shù)的接觸器電壽命預(yù)測(cè)方法,可以比較直觀地反映接觸器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),但由于涉及具體參數(shù)的測(cè)量,需要對(duì)接觸器進(jìn)行拆卸或者破壞,過(guò)程較為復(fù)雜,在實(shí)際工程應(yīng)用中存在弊端。

    采用音頻分析的方法可以通過(guò)非接觸的方式對(duì)設(shè)備、裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和診斷,可有效避免接觸式診斷方法的弊端。目前這種方法在大型機(jī)電設(shè)備領(lǐng)域有一定研究。

    但是,目前基于音頻特征對(duì)交流接觸器進(jìn)行電壽命預(yù)測(cè)的研究還較少。河北工業(yè)大學(xué)、溫州大學(xué)樂(lè)清工業(yè)研究院的研究人員基于音頻特征的交流接觸器電壽命預(yù)測(cè)方法,采用快速傅里葉變換法分析交流接觸器線(xiàn)圈工作電壓異常、觸頭磨損和殼體松動(dòng)三種狀態(tài)下接觸器合閘時(shí)的音頻特征,分別與正常的交流接觸器音頻特征進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn),非正常狀態(tài)的交流接觸器合閘時(shí)其音頻特征與正常狀態(tài)時(shí)明顯不同。

    借助于音頻特征,預(yù)測(cè)交流接觸器電壽命的新方法

    圖1 電壽命試驗(yàn)裝置原理框圖

    為進(jìn)一步研究接觸器合閘時(shí)的振動(dòng)發(fā)聲機(jī)理,基于振動(dòng)方程和聲壓波動(dòng)方程建立接觸器合閘時(shí)的聲場(chǎng)模型,仿真結(jié)果表明,該聲場(chǎng)模型產(chǎn)生的音頻頻譜幅值隨線(xiàn)圈工作電壓的增大而變大、頻譜分布隨觸頭形貌改變而變化。分別運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)構(gòu)建交流接觸器合閘音頻特征與電壽命的關(guān)聯(lián)模型,對(duì)比了L-M算法、擬牛頓法、動(dòng)量BP法和自適應(yīng)梯度下降法四種BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,建立電壽命驗(yàn)證平臺(tái)。

    借助于音頻特征,預(yù)測(cè)交流接觸器電壽命的新方法

    圖2 碰撞發(fā)聲仿真流程

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,L-M算法性能最優(yōu),預(yù)測(cè)電壽命誤差小于10%;CNN可以在線(xiàn)學(xué)習(xí)和提取音頻特征,但其預(yù)測(cè)誤差超過(guò)20%。

    研究人員最后得出以下結(jié)論:1)接觸器控制電壓變化造成音頻特定頻率的幅度變化;2)接觸器殼體松動(dòng)造成音頻頻譜分布變化,造成音頻幅值變化;3)接觸器觸頭磨損情況產(chǎn)生的音頻頻譜,能在低頻分布權(quán)重dw參數(shù)中體現(xiàn);4)運(yùn)用MFCC法提取的音頻特征作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,采用L-M學(xué)習(xí)算法可獲得低于10%的錯(cuò)誤率,滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求;5)運(yùn)用CNN法雖然免去音頻特征提取步驟,但對(duì)接觸器的壽命預(yù)測(cè)效果欠佳。

    以上研究成果發(fā)表在2021年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“基于音頻特征的交流接觸器電壽命預(yù)測(cè)方法”,作者為游穎敏、王景芹 等。

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