基于电流信号的转子试验台故障诊断研究

郝少鹏，王宇，余峰，李加刚，赵飞

基于电流信号的转子试验台故障诊断研究

郝少鹏1，王宇1，余峰1，李加刚1，赵飞2

（1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041；2.四川省特种设备检验研究院，四川 成都 610061）

为了研究转子发生故障时电机电流的变化，提取故障特征，需要对转子故障进行实验模拟，采集相应的电流信号。以转子故障模拟实验台为基础，进行转子不平衡和碰磨故障的模拟实验，并采集相应的电流信号。结合时域和频域分析，对电流信号随转子运行工况变化的情况进行分析，选取能够反映转子运行工况的特征值。

电流信号；转子碰磨；转子不平衡；故障诊断

1 引言

随着科学技术的日益飞速发展，在工程各个领域中，电机是主要的动力源，可以看作现代化工业系统中的心脏。电机种类异样，都是源源不断地将电能转化为机械能，其中，转子系统是电机最为关键的部件之一，其在工作状态中的可靠性直接决定着动力输出的稳定性[1]。

然而，电机动力输出与其电能的消耗密切相关，电流中的波形成分可以反映出转子的工作状态。而鉴于日前的研究和应用，电机的振动信号和红外监测仍是电机故障诊断的主要手段，电机振动信号的获取主要来源于加速度传感器，而电流信号的获取主要来源于电流互感器，相比较而言，振动信号的获取成本较高。而且电流原始信号中的噪声成分较低，包含了更多的设备故障信息。

总之，电机电流与扭矩的关系在不同故障下表现不同，电机电流信号特征的差异是对电机及其拖动设备故障诊断的一个新领域，近十几年来，国内外专家学者对电流诊断电机及其拖动设备的研究取得了长足的进展。

2 电流诊断指标

电机是把电能转化为机械能的动设备，主要由定子和转子构成，由绕组产生的旋转磁场形成磁力转矩，一般在定子绕组旋转磁场的作用下，受磁场力的作用而转动[1]。其中，三相电流相位角为120°，电磁转矩与负载转矩随时间变化而变化，电机的同步转速如式（1）所示，电机的电磁转矩如公式（2）所示：

式（1）中：为电机转速；n为电机的极对数。

式（2）中：e为电磁转矩；L为负载转矩；为转动惯量；为转矩阻尼系数；为扭转弹性转矩系数；为机械扭转角。

但是对于电机的恒定负载，式（2）中=0，=0，然而，当电机负载转矩有波动时，电机旋转角速度随之变化，电磁转矩和电机电流也随之波动，电流的长期变化可以反映电机的工作状态[2]。

电流信号指标如表1所示，电流的时域波形表示电流大小随时间变化的关系，电流信号中隐含着多种指标[2]，比如时域波形的绝对幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、偏度指标、标准差、峭度指标、脉冲指标、峰值指标以及波形变化等，可根据这些对电机状态进行评估，其变化趋势可用于电机的故障诊断。

表1 电流信号指标

指标指标表达式指标指标表达式 绝对幅值偏度指标 最大值Xmax=max｛xi｝标准差 最小值Xmin=min｛xi｝峭度指标 峰峰值XP-P=max｛xi｝－min｛xi｝脉冲指标 有效值裕度指标 方差峰值指标

任何实际信号都是比较复杂的，含有多种不同频率的成分。对于转子系统的电流信号也是如此，虽然相比振动信号要简单的多，但是也含有多种不同频率的成分。显然，要对信号有一个全面的分析，必须了解其多种不同频率的成分，即信号的频域分布情况，实现时域向频域的转换，这就是频域分析。

傅里叶变换是进行频率结构分析的重要工具，它可以辨别或区分组成任意波形的一些不同频率的正弦波和它们各自的振幅。傅里叶变换可实现时域向频域的转换，其逆变换可实现频域向时域的转换，分别如式（3）和式（4）所示：

式（3）（4）中：（）为时域信号；（）为其傅里叶变换；为时间；为角频率。

3 转子电流时频域特征分析

为了研究转子故障时对电机电流的影响，利用转子试验台对转子碰磨和不平衡故障进行模拟[3]，转子试验台如图1所示。

利用电流钳和示波器监测并采集电流，碰磨利用金属异物触碰转子，转子不平衡在转子上增减螺栓，对电流信号采集分析，采样频率为10 000 Hz，采集点为1 000个。

图1 转子试验台示意图

转子正常时，电机运行稳定后，电机转子三相电流频域如图2所示，时域波形较规整，毛刺少。三相电流信号指标如表2所示，时域指标中的绝对幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、标准差、峭度、峰值指标、脉冲指标、裕度指标等特征值，频域成分以工频50 Hz为主，谐波成分单纯，几乎没有其他成分。以转子正常时的工况下的指标为准，与转子碰磨故障和不平衡故障的时域指标对比分析[4]。

图2 转子正常时电机电流时频域图

表2 转子三种工况的电流信号指标

时域指标正常碰磨故障转子不平衡 A相B相C相A相B相C相A相B相C相 绝对幅值（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 标准差（A）2.112.102.112.322.322.322.532.442.48 峭度（A4）1.511.511.511.511.521.511.511.511.51 脉冲指标3.363.333.383.393.503.443.433.443.42 裕度指标3.683.643.693.703.833.763.753.773.74 峰值指标3.003.013.053.053.113.093.083.103.08

转子发生碰磨故障时，时域指标中的绝对幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、标准差和裕度指标均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指标、脉冲指标变化不明显，时频域分析如图3所示。时域波形出现较小波动，波形图中的毛刺增多，相比正常时的波形图有轻微削波现象，而频域成分相比正常情况下的几乎无变化，低次谐波成分与转子正常时有轻微变化，可见，转子发生碰磨时电机的负载转矩发生波动对电机电流有影响。

转子发生不平衡故障时，时域指标中的绝对幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、标准差与转子碰磨故障时相似均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指标、裕度指标、脉冲指标变化不明显，时域波形出现明显波动，波形图中的毛刺增多，B相电流波形图出现不规则的波动，相比正常时的波形图有明显削波现象，频域成分相比正常情况下的变化也较明显，频域成分以50 Hz为主，低次谐波成分与转子正常时有轻微变化，而50 Hz出现不同幅度的边频，可见，转子发生不平衡时电机的负载转矩发生波动对电机电流有影响。转子不平衡时电机电流时频域如图4所示。

图3 转子碰磨时电机电流时频域图

图4 转子不平衡时电机电流时频域图

综上分析，电机运行时受到的负载变化冲击会对电流产生不同程度的影响，可根据电机电流的变化和时频域成分的变化判断其负载工作状态是否存在异常。本文选取了11个电流指标，转子发生故障时对电流指标的影响程度如表3所示，三相电流波形图中的峰峰值、有效值、方差、标准差变化显著，电流波形图中的绝对幅值、最大值、最小值和脉冲指标影响一般，电流峭度、裕度指标、峰值指标影响较弱。

表3 转子故障对电流指标影响程度

电流指标绝对幅值最大值最小值峰峰值有效值方差 影响程度中中中强强强 电流指标标准差峭度脉冲指标裕度指标峰值指标 影响程度强弱中弱弱

4 结论

通过对转子试验台电机三相电流信号的分析相关特征值随转子运行工况的变化情况，提取出了11个电流特征，进一步探索了当转子系统发生碰磨和不平衡故障时电流信号会随之发生相应的变化，得到了转子正常和故障时的电流时频谱特征[3]，为利用电流信号相关指标的变化进行转子故障诊断提供了有效依据，也为类似转子试验台的设备故障诊断提供了参考。

［1］李峰，庞新宇，杨兆建.基于电机电流分析的齿轮断齿和磨损故障诊断［J］.科学技术与工程，2018，18（10）： 48-52.

［2］井云飞，巩晓赞，张伟业.基于振动与电流的感应电机轴承故障诊断系统［J］.设备管理与维护，2018（7）：5.

［3］田静，许宝杰.基于转子实验台的典型故障信号模拟与分析［J］.北京信息科技大学学报，2005，20（3）：1-4.

［4］季厌庸.转子系统故障诊断技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2001.

TM346

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.007

2095－6835（2019）13－0016－03

郝少鹏，男，河南上蔡人，硕士，工程师，研究方向为核动力设备状态监测与故障诊断。

〔编辑：张思楠〕