基于電流信號的轉子試驗臺故障診斷研究

郝少鵬，王宇，余峰，李加剛，趙飛

基于電流信號的轉子試驗臺故障診斷研究

郝少鵬1，王宇1，余峰1，李加剛1，趙飛2

（1.中國核動力研究設計院，四川 成都 610041；2.四川省特種設備檢驗研究院，四川 成都 610061）

為了研究轉子發生故障時電機電流的變化，提取故障特征，需要對轉子故障進行實驗模擬，采集相應的電流信號。以轉子故障模擬實驗臺為基礎，進行轉子不平衡和碰磨故障的模擬實驗，并采集相應的電流信號。結合時域和頻域分析，對電流信號隨轉子運行工況變化的情況進行分析，選取能夠反映轉子運行工況的特征值。

電流信號；轉子碰磨；轉子不平衡；故障診斷

1 引言

隨著科學技術的日益飛速發展，在工程各個領域中，電機是主要的動力源，可以看作現代化工業系統中的心臟。電機種類異樣，都是源源不斷地將電能轉化為機械能，其中，轉子系統是電機最為關鍵的部件之一，其在工作狀態中的可靠性直接決定著動力輸出的穩定性[1]。

然而，電機動力輸出與其電能的消耗密切相關，電流中的波形成分可以反映出轉子的工作狀態。而鑒于日前的研究和應用，電機的振動信號和紅外監測仍是電機故障診斷的主要手段，電機振動信號的獲取主要來源于加速度傳感器，而電流信號的獲取主要來源于電流互感器，相比較而言，振動信號的獲取成本較高。而且電流原始信號中的噪聲成分較低，包含了更多的設備故障信息。

總之，電機電流與扭矩的關系在不同故障下表現不同，電機電流信號特征的差異是對電機及其拖動設備故障診斷的一個新領域，近十幾年來，國內外專家學者對電流診斷電機及其拖動設備的研究取得了長足的進展。

2 電流診斷指標

電機是把電能轉化為機械能的動設備，主要由定子和轉子構成，由繞組產生的旋轉磁場形成磁力轉矩，一般在定子繞組旋轉磁場的作用下，受磁場力的作用而轉動[1]。其中，三相電流相位角為120°，電磁轉矩與負載轉矩隨時間變化而變化，電機的同步轉速如式（1）所示，電機的電磁轉矩如公式（2）所示：

式（1）中：為電機轉速；n為電機的極對數。

式（2）中：e為電磁轉矩；L為負載轉矩；為轉動慣量；為轉矩阻尼系數；為扭轉彈性轉矩系數；為機械扭轉角。

但是對于電機的恒定負載，式（2）中=0，=0，然而，當電機負載轉矩有波動時，電機旋轉角速度隨之變化，電磁轉矩和電機電流也隨之波動，電流的長期變化可以反映電機的工作狀態[2]。

電流信號指標如表1所示，電流的時域波形表示電流大小隨時間變化的關系，電流信號中隱含著多種指標[2]，比如時域波形的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、偏度指標、標準差、峭度指標、脈沖指標、峰值指標以及波形變化等，可根據這些對電機狀態進行評估，其變化趨勢可用于電機的故障診斷。

表1 電流信號指標

指標指標表達式指標指標表達式 絕對幅值偏度指標 最大值Xmax=max｛xi｝標準差 最小值Xmin=min｛xi｝峭度指標 峰峰值XP-P=max｛xi｝－min｛xi｝脈沖指標 有效值裕度指標 方差峰值指標

任何實際信號都是比較復雜的，含有多種不同頻率的成分。對于轉子系統的電流信號也是如此，雖然相比振動信號要簡單的多，但是也含有多種不同頻率的成分。顯然，要對信號有一個全面的分析，必須了解其多種不同頻率的成分，即信號的頻域分布情況，實現時域向頻域的轉換，這就是頻域分析。

傅里葉變換是進行頻率結構分析的重要工具，它可以辨別或區分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。傅里葉變換可實現時域向頻域的轉換，其逆變換可實現頻域向時域的轉換，分別如式（3）和式（4）所示：

式（3）（4）中：（）為時域信號；（）為其傅里葉變換；為時間；為角頻率。

3 轉子電流時頻域特征分析

為了研究轉子故障時對電機電流的影響，利用轉子試驗臺對轉子碰磨和不平衡故障進行模擬[3]，轉子試驗臺如圖1所示。

利用電流鉗和示波器監測并采集電流，碰磨利用金屬異物觸碰轉子，轉子不平衡在轉子上增減螺栓，對電流信號采集分析，采樣頻率為10 000 Hz，采集點為1 000個。

圖1 轉子試驗臺示意圖

轉子正常時，電機運行穩定后，電機轉子三相電流頻域如圖2所示，時域波形較規整，毛刺少。三相電流信號指標如表2所示，時域指標中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標準差、峭度、峰值指標、脈沖指標、裕度指標等特征值，頻域成分以工頻50 Hz為主，諧波成分單純，幾乎沒有其他成分。以轉子正常時的工況下的指標為準，與轉子碰磨故障和不平衡故障的時域指標對比分析[4]。

圖2 轉子正常時電機電流時頻域圖

表2 轉子三種工況的電流信號指標

時域指標正常碰磨故障轉子不平衡 A相B相C相A相B相C相A相B相C相 絕對幅值（A）1.891.891.892.092.082.092.072.092.13 最大值（A）3.153.193.203.533.633.573.893.723.83 最小值（A）﹣3.23﹣3.10﹣3.20﹣3.54﹣3.65﹣3.60﹣3.90﹣3.85﹣3.81 峰峰值（A）6.376.296.407.077.277.187.797.567.64 有效值（A）2.112.102.112.322.312.322.382.412.40 方差（A2）4.444.414.445.375.365.406.385.966.16 標準差（A）2.112.102.112.322.322.322.532.442.48 峭度（A4）1.511.511.511.511.521.511.511.511.51 脈沖指標3.363.333.383.393.503.443.433.443.42 裕度指標3.683.643.693.703.833.763.753.773.74 峰值指標3.003.013.053.053.113.093.083.103.08

轉子發生碰磨故障時，時域指標中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標準差和裕度指標均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指標、脈沖指標變化不明顯，時頻域分析如圖3所示。時域波形出現較小波動，波形圖中的毛刺增多，相比正常時的波形圖有輕微削波現象，而頻域成分相比正常情況下的幾乎無變化，低次諧波成分與轉子正常時有輕微變化，可見，轉子發生碰磨時電機的負載轉矩發生波動對電機電流有影響。

轉子發生不平衡故障時，時域指標中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標準差與轉子碰磨故障時相似均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指標、裕度指標、脈沖指標變化不明顯，時域波形出現明顯波動，波形圖中的毛刺增多，B相電流波形圖出現不規則的波動，相比正常時的波形圖有明顯削波現象，頻域成分相比正常情況下的變化也較明顯，頻域成分以50 Hz為主，低次諧波成分與轉子正常時有輕微變化，而50 Hz出現不同幅度的邊頻，可見，轉子發生不平衡時電機的負載轉矩發生波動對電機電流有影響。轉子不平衡時電機電流時頻域如圖4所示。

圖3 轉子碰磨時電機電流時頻域圖

圖4 轉子不平衡時電機電流時頻域圖

綜上分析，電機運行時受到的負載變化沖擊會對電流產生不同程度的影響，可根據電機電流的變化和時頻域成分的變化判斷其負載工作狀態是否存在異常。本文選取了11個電流指標，轉子發生故障時對電流指標的影響程度如表3所示，三相電流波形圖中的峰峰值、有效值、方差、標準差變化顯著，電流波形圖中的絕對幅值、最大值、最小值和脈沖指標影響一般，電流峭度、裕度指標、峰值指標影響較弱。

表3 轉子故障對電流指標影響程度

電流指標絕對幅值最大值最小值峰峰值有效值方差 影響程度中中中強強強 電流指標標準差峭度脈沖指標裕度指標峰值指標 影響程度強弱中弱弱

4 結論

通過對轉子試驗臺電機三相電流信號的分析相關特征值隨轉子運行工況的變化情況，提取出了11個電流特征，進一步探索了當轉子系統發生碰磨和不平衡故障時電流信號會隨之發生相應的變化，得到了轉子正常和故障時的電流時頻譜特征[3]，為利用電流信號相關指標的變化進行轉子故障診斷提供了有效依據，也為類似轉子試驗臺的設備故障診斷提供了參考。

［1］李峰，龐新宇，楊兆建.基于電機電流分析的齒輪斷齒和磨損故障診斷［J］.科學技術與工程，2018，18（10）： 48-52.

［2］井云飛，鞏曉贊，張偉業.基于振動與電流的感應電機軸承故障診斷系統［J］.設備管理與維護，2018（7）：5.

［3］田靜，許寶杰.基于轉子實驗臺的典型故障信號模擬與分析［J］.北京信息科技大學學報，2005，20（3）：1-4.

［4］季厭庸.轉子系統故障診斷技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2001.

TM346

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.007

2095－6835（2019）13－0016－03

郝少鵬，男，河南上蔡人，碩士，工程師，研究方向為核動力設備狀態監測與故障診斷。

〔編輯：張思楠〕