低转速永磁电机改进增量无差拍预测电流控制方法研究

《Electronics》：Research on Improved Incremental Deadbeat Predictive Current Control Method for Low-Speed Permanent Magnet Machine

　　

直流偏磁会使变压器铁芯磁化工作点偏移并引起局部饱和，通过磁致伸缩效应产生异常振动，威胁变压器安全运行。针对变压器直流偏磁下振动信号时频特性复杂、相邻偏磁等级难以区分的问题，研究人员提出一种融合二维离散小波变换（2DWT）、卷积神经网络（CNN）与Transformer编码器的2DWT-CNN-Transformer诊断方法。首先建立三相三柱变压器多物理场有限元模型，构建L0–L5六级直流偏磁数据集；其次将一维振动信号重构成二维矩阵，经二维离散小波变换提取LL、LH、HL、HH四子带多子带时频特征，由CNN提取局部纹理特征，并引入Transformer编码器的多头自注意力机制建立全局依赖，增强相邻偏磁等级判别能力。相较传统时频特征深度学习模型，该方法精度更高，在15 dB高噪声环境下仍保持96.23%准确率。可视化结果表明模型类内聚合更紧凑、类间边界更清晰，为复杂环境下基于振动信号的变压器直流偏磁状态识别与评估提供有效方案。

研究背景方面，电力变压器在运行中易受地磁感应电流、高压直流输电及轨道交通杂散电流引入的直流分量干扰，使励磁电流叠加直流成分，铁芯磁通工作点偏移、正负半周不对称，进入局部饱和并通过磁致伸缩效应诱发异常振动，严重时导致绝缘劣化与保护误动。既有研究多停留在正常与偏磁二分类、依赖单指标阈值、难以细分相邻偏磁等级，且CNN局部感知与Transformer全局建模未充分融合。为此，研究人员以110/35 kV、63 MVA三相三柱主变为对象，在COMSOL 6.3中建立电磁-固体力学耦合有限元模型，中性点注入0–10 A直流模拟地铁杂散电流，按中性点直流电流将偏磁分为L0–L5六级，在铁芯顶部与绕组边界布置虚拟测点A–F，采集每样本1600点的位移与加速度信号，按7:3划分训练与测试集，构建六类直流偏磁振动数据集。

关键技术方法上，研究人员采用三条主线：其一，将一维振动信号归一化重构为40×40二维矩阵（40点对应0.2个工频周期），经二维离散小波变换分解为LL低频近似、LH水平高频、HL垂直高频、HH对角高频四子带，把幅值和谐波差异转化为图像纹理差异；其二，设计两层3×3卷积+ReLU+2×2最大池化的改进CNN提取局部纹理，并将输出特征图切分为5×5块线性映射为token；其三，保留Transformer编码器去掉解码器，加入可学习分类token与正弦-余弦位置编码，以4头自注意力、单层编码器建立全局依赖，最终由MLP输出六级分类。激活函数经对比选用GELU，超参由网格搜索确定。

研究结果部分，第2节“基于有限元的变压器直流偏磁电磁振动仿真模型”中，研究人员通过机理推导说明直流偏磁使总磁密B(t)=B_ac(t)+B_dc偏移磁化曲线工作点至饱和区B点，励磁电流半周尖峰化；借助COMSOL多物理场模型给出几何与材料参数，参数化扫描0–10 A直流得到L0–L5六级励磁波形，虚拟测点A反映磁致伸缩、D敏感结构耦合振动；时域曲线显示A、D点位移与加速度幅值随偏磁增大而单调上升、高偏磁下半周畸变更显著，但低偏磁区分度有限，从而引出二维化与小波分解的必要性。第3节“变压器直流偏磁振动信号处理与识别模型”中，研究人员给出一维信号转40×40矩阵公式、二维离散小波变换系数定义、CNN卷积表达式、patch划分与位置编码式、多头自注意力计算式，明确2DWT放大相邻等级谐波差异、CNN抓局部、Transformer抓正负半周全局不对称的互补逻辑。第4节“仿真结果与分析”中，组件消融表明去Transformer掉2.54%精度、去CNN掉2.9%、去2DWT掉点最多，完整模型在干净环境达99.77%准确率、precision 99.74%、recall 99.71%、F1 99.72%；去单测点精度仍>98%，留一测点泛化96.45%–97.55%；抗噪测试中15 dB下保持96.23%，优于1D-CNN、CNN-LSTM、2DWT-CNN；t-SNE可视化显示六类簇内紧凑、簇间边界清晰。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：所提2DWT-CNN-Transformer模型在无声环境六类直流偏磁识别中准确率达99.77%，precision、recall、F1分别为99.74%、99.71%、99.72%，较1D-CNN、CNN-LSTM、2DWT-CNN分别提升8.67、11.37、9.34个百分点，亦高于文献中CNN二分类96.5%准确率，15 dB高噪下仍达96.23%；消融中去任一点L1精度降幅≤0.9%，留一测点泛化波动<1.1%，证明不依赖特定测点；模型50轮内收敛、损失稳于0.032，t-SNE特征空间类界清晰。该框架提升了变压器直流偏磁振动诊断精度，为复杂环境状态评估提供可行路径；仿真中振动位移幅值与半周不对称性随偏磁加深而增的趋势与实验研究定性一致。但Transformer增加计算复杂度，现场适应性待验，未来将融入现场数据并轻量化。论文发表于《Electronics》。