一種基于支持向量分類機(jī)的接觸器故障診斷方法

楊家偉，曾威嶂，朱文龍，徐海龍，張中景

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

接觸器被廣泛應(yīng)用于電力、配電與用電場(chǎng)合。其利用電流流過(guò)線圈產(chǎn)生電磁吸力與彈簧的反力特性，可頻繁地接通與斷開(kāi)大電流控制電路或交、直流主電路，起到連接/隔離電氣回路、控制系統(tǒng)邏輯時(shí)序的作用［1］。近些年，對(duì)接觸器的研究多通過(guò)力學(xué)分析軟件研究觸頭運(yùn)行特性［2-4］。如文獻(xiàn)［4］對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了全面研究，通過(guò)建模和仿真分析，對(duì)接觸器參數(shù)進(jìn)行逐個(gè)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，但并未實(shí)現(xiàn)接觸器關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的完全理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在接觸器正常工作服役期間，其運(yùn)動(dòng)特性及參數(shù)的變化很難被捕捉到。在大多數(shù)工業(yè)環(huán)境中，接觸器的健康狀態(tài)是通過(guò)研究其動(dòng)作時(shí)間來(lái)判斷的［5-7］；而實(shí)際工業(yè)應(yīng)用時(shí)，接觸器供電電壓和溫度大多數(shù)情況下是不穩(wěn)定的，由此將帶來(lái)接觸器線圈電流、吸合力和動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)的變化。因此，僅僅通過(guò)研究接觸器動(dòng)作時(shí)間來(lái)判斷接觸器健康狀態(tài)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

本文針對(duì)接觸器吸合過(guò)程中銜鐵的運(yùn)動(dòng)過(guò)程建立了動(dòng)力學(xué)模型；并結(jié)合接觸器動(dòng)作動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析了接觸器線圈電壓、線圈電流、動(dòng)作時(shí)間和接觸器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了接觸器故障模擬實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立了基于支持向量分類機(jī)的故障診斷算法；同時(shí)，結(jié)合真實(shí)環(huán)境下列車牽引變流器充電過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行了該診斷算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1 接觸器動(dòng)作機(jī)理與常見(jiàn)故障

1.1 接觸器機(jī)械系統(tǒng)模型

接觸器通常由動(dòng)鐵心（銜鐵）、靜鐵心、線圈、還原彈簧、動(dòng)觸頭、靜觸頭、滅弧罩等結(jié)構(gòu)組成［8］，如圖1所示。接觸器吸合過(guò)程首先是接觸器供電電源對(duì)線圈通電，由此產(chǎn)生磁場(chǎng)；在磁場(chǎng)作用下，接觸器銜鐵向下運(yùn)動(dòng)，使觸點(diǎn)閉合，完成吸合過(guò)程。

圖1 接觸器機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of contactor mechanical system

當(dāng)接觸器線圈通電后，其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵受到一個(gè)向下的吸合力（電磁力），使得銜鐵向下運(yùn)動(dòng)，而還原彈簧則產(chǎn)生一個(gè)向上的彈力。由此可得到接觸器銜鐵受迫運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：Fe——接觸器線圈產(chǎn)生的吸合力；k——還原彈簧剛度；m——接觸器銜鐵質(zhì)量；x(t)——銜鐵向下運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)行程。

接觸器的吸合力與線圈匝數(shù)、相關(guān)磁路的磁阻和線圈電流有關(guān)。在接觸器吸合過(guò)程，由于線圈匝數(shù)、磁阻基本不變，因此，電磁力的大小主要與吸合電壓大小相關(guān)，即

式中：α——磁場(chǎng)參數(shù)，其值由線圈匝數(shù)、相關(guān)磁路的磁阻決定；i——線圈電流；U——線圈電壓；R——線圈電阻。

1.2 接觸器動(dòng)作過(guò)程分析

由1.1節(jié)中受力分析可知，接觸器吸合過(guò)程為受迫運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可用非齊次二階微分方程表示：

對(duì)某型號(hào)接觸器而言，其剛度、銜鐵質(zhì)量、吸合行程、磁場(chǎng)參數(shù)及線圈電阻等參數(shù)在設(shè)計(jì)階段已確定；但在使用過(guò)程中，當(dāng)接觸器性能退化時(shí)，其特征參數(shù)也將隨之發(fā)生變化。通過(guò)式（7）可以看出，接觸器動(dòng)作時(shí)間、電壓、電流參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，其很好地反映了接觸器參數(shù)的變化規(guī)律。

1.3 接觸器常見(jiàn)故障

受通斷頻繁、工作溫度高等因素的影響，接觸器在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)故障的頻率較高。其常見(jiàn)故障主要包括以下幾種：

（1）卡分卡合。接觸器由于性能退化、線圈老化、彈簧性能下降等原因，導(dǎo)致觸頭無(wú)法斷開(kāi)或者無(wú)法閉合，造成主電路無(wú)法進(jìn)行正常的通斷控制。

（2）輔助觸頭信號(hào)異常。接觸器在吸合和斷開(kāi)過(guò)程中，輔助觸頭作為狀態(tài)反饋結(jié)構(gòu)，在頻繁的動(dòng)作下，會(huì)出現(xiàn)接觸不良、信號(hào)丟失的情況，以致無(wú)法反饋接觸器的吸合/斷開(kāi)狀態(tài)信息。

（3）參數(shù)退化。在接觸器壽命后期，其線圈絕緣性能、彈簧剛度及磁阻等性能參數(shù)都將發(fā)生退化，導(dǎo)致接觸器動(dòng)作響應(yīng)遲緩。

2 故障診斷方法建立

通過(guò)對(duì)接觸器動(dòng)作機(jī)理分析得知，接觸器的動(dòng)作時(shí)間、電壓、電流等參數(shù)可以反映其故障狀態(tài)。根據(jù)這些參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本文提出一種基于支持向量分類機(jī)的接觸器故障診斷方法，并對(duì)接觸器常見(jiàn)的4種故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集了接觸器電流、電壓、動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型對(duì)模型準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 支持向量機(jī)算法

支持向量機(jī)（SVM）［9］是20世紀(jì)90年代由Vapnik提出的一種算法，可用于解決分類問(wèn)題、擬合問(wèn)題和回歸問(wèn)題。

支持向量分類機(jī)在分類中被廣泛使用，其算法步驟如下：

2.2 接觸器實(shí)驗(yàn)

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)接觸器進(jìn)行吸合實(shí)驗(yàn)，模擬不同類型故障；采集接觸器的線圈電壓、線圈電流和吸合時(shí)間參數(shù)用于建立故障診斷模型。

所搭建的接觸器實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，其包括示波器（用于記錄數(shù)據(jù)）、接觸器（測(cè)試對(duì)象）、開(kāi)關(guān)電源（用于向主觸頭端施加電壓）、電流環(huán)（用于測(cè)試線圈電流）。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)接線圖Fig.2 Field experiment wiring

圖3示出接觸器實(shí)驗(yàn)原理。選取正常接觸器，在接觸器線圈兩端施加109 V電壓，通過(guò)電源的通與斷，實(shí)現(xiàn)接觸器的吸合和斷開(kāi)過(guò)程。記錄接觸器線圈電壓、電流和動(dòng)靜觸頭電壓曲線，如圖4所示。

圖3 接觸器實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Principle diagram of the field experiment

圖4 正常接觸器吸合過(guò)程電流電壓波形Fig.4 Current and voltage waveforms of normal contactor in pull-in process

由圖4可知，在109 V的供電電壓情況下，此接觸器的線圈電流為203 mA，吸合過(guò)程耗時(shí)57.6 ms。

將接觸器銜鐵固定，致使其無(wú)法完成吸合動(dòng)作，模擬卡分故障。重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，記錄電壓、電流波形，如圖5所示。由圖可知，在109 V供電電壓工況下，此接觸器的線圈電流不足200 mA，接觸器無(wú)法完成吸合動(dòng)作。

圖5 卡分故障吸合過(guò)程電流、電壓波形Fig.5 Current and voltage waveforms of the contactor with stuck open fault in the pull-in process

共計(jì)完成5種健康狀態(tài)類別接觸器實(shí)驗(yàn)，且每種類別接觸器均進(jìn)行30組實(shí)驗(yàn)。接觸器包括：（1）正常接觸器；（2）卡分故障接觸器；（3）卡合故障接觸器；（4）輔助觸頭信號(hào)異常故障接觸器；（5）參數(shù)退化故障接觸器。

2.3 支持向量分類機(jī)模型建立與驗(yàn)證

通過(guò)分析接觸器的線圈電壓、線圈電流和動(dòng)作時(shí)間等參數(shù)，建立基于支持向量分類機(jī)的故障診斷方法，其診斷流程如圖6所示。

圖6 支持向量分類機(jī)故障診斷流程Fig.6 Fault diagnosis flow of support vector machine

基于SVM分類算法，將接觸器中銜鐵質(zhì)量、彈簧剛度、線圈電流、線圈電壓和動(dòng)作時(shí)間作為輸入，輸出接觸器健康度作為指標(biāo)參數(shù)。不同故障類型情況下得到的指標(biāo)參數(shù)不同。將各故障類型接觸器進(jìn)行標(biāo)記，正常時(shí)，類別標(biāo)簽為0；卡分故障時(shí)，類別標(biāo)簽為1；卡合故障時(shí)，類別標(biāo)簽為2；輔助觸頭信號(hào)異常故障時(shí)，類別標(biāo)簽為3；參數(shù)退化故障時(shí)，類別標(biāo)簽為4。

將2.2節(jié)中每種接觸器的30組數(shù)據(jù)均分成2個(gè)樣本數(shù)據(jù)，其中15組作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù)，15組作為測(cè)試集數(shù)據(jù)。

將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)作為輸入，選擇多項(xiàng)式核函數(shù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，對(duì)1組正常接觸器和4種故障接觸器訓(xùn)練集數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，5種健康類別不存在相互重疊區(qū)間，其健康類別區(qū)分明顯。

圖7 樣本集數(shù)據(jù)分類Fig.7 Sample-set data classification

輸入剩余的15組測(cè)試集數(shù)據(jù)，基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)建立的模型進(jìn)行分析，得出5種接觸器測(cè)試集數(shù)據(jù)診斷結(jié)果的類別標(biāo)簽結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 測(cè)試集數(shù)據(jù)診斷結(jié)果Fig.8 Diagnostic results of test-set data

由表1可知，基于支持向量分類機(jī)的診斷結(jié)果準(zhǔn)確率均超過(guò)93%，具有很高的分類準(zhǔn)確率，在工程上有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表1 測(cè)試集數(shù)據(jù)診斷結(jié)果Tab.1 Diagnostic results of test-set data

3 接觸器故障診斷驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本文基于某動(dòng)車組牽引變流器進(jìn)行電容器充電實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)接觸器吸合和斷開(kāi)動(dòng)作過(guò)程。該變流器主電路如圖9所示，牽引變流器充電過(guò)程中，先閉合充電接觸器KM4；當(dāng)電容器Cd兩端的中間電壓上升到2 667 V時(shí)，閉合短接接觸器KM1，而后將中間電壓充至3 000 V。

圖9 某動(dòng)車組牽引變流器電容器充電回路Fig.9 Capacitor charging circuit of an EMU traction converter

采集充電接觸器多次動(dòng)作過(guò)程的數(shù)據(jù)，通過(guò)支持向量分類機(jī)方法進(jìn)行診斷，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，正常接觸器的10次充電過(guò)程的診斷結(jié)果類別標(biāo)簽始終為0，代表接觸器正常，與實(shí)際情況一致?？梢?jiàn)，該支持向量分類機(jī)診斷方法準(zhǔn)確。

圖10 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.10 Validation experimental data

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了接觸器吸合過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，并得到接觸器線圈電壓、線圈電流、動(dòng)作時(shí)間和接觸器結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，文章提出了一種適用于接觸器故障診斷的支持向量分類機(jī)模型；同時(shí)，基于接觸器實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了模型訓(xùn)練及樣本數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其診斷準(zhǔn)確率超93%；最后，結(jié)合某動(dòng)車組牽引變流器進(jìn)行了方法驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了其診斷的準(zhǔn)確性?？梢?jiàn)，基于支持向量分類機(jī)的診斷方法在工程上有較高的應(yīng)用價(jià)值。

本文通過(guò)支持向量分類機(jī)實(shí)現(xiàn)了4種常見(jiàn)的接觸器故障分類研究，但尚未達(dá)到對(duì)接觸器故障問(wèn)題的全覆蓋，如觸頭灼傷、滅弧罩損傷、線圈過(guò)熱等問(wèn)題。后期研究將擴(kuò)展接觸器故障診斷的覆蓋面。