基于電流信號的轉(zhuǎn)子試驗臺故障診斷研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2020-02-26 07:58

本文摘要：摘要：為了研究轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時電機(jī)電流的變化，提取故障特征，需要對轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行實驗?zāi)M，采集相應(yīng)的電流信號。以轉(zhuǎn)子故障模擬實驗臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡和碰磨故障的模擬實驗，并采集相應(yīng)的電流信號。結(jié)合時域和頻域分析，對電流信號隨轉(zhuǎn)子運行工況變

　　摘要：為了研究轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時電機(jī)電流的變化，提取故障特征，需要對轉(zhuǎn)子故障進(jìn)行實驗?zāi)M，采集相應(yīng)的電流信號。以轉(zhuǎn)子故障模擬實驗臺為基礎(chǔ)，進(jìn)行轉(zhuǎn)子不平衡和碰磨故障的模擬實驗，并采集相應(yīng)的電流信號。結(jié)合時域和頻域分析，對電流信號隨轉(zhuǎn)子運行工況變化的情況進(jìn)行分析，選取能夠反映轉(zhuǎn)子運行工況的特征值。

　　關(guān)鍵詞：電流信號;轉(zhuǎn)子碰磨;轉(zhuǎn)子不平衡;故障診斷

科學(xué)技術(shù)與工程

　　1引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的日益飛速發(fā)展，在工程各個領(lǐng)域中，電機(jī)是主要的動力源，可以看作現(xiàn)代化工業(yè)系統(tǒng)中的心臟。電機(jī)種類異樣，都是源源不斷地將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是電機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一，其在工作狀態(tài)中的可靠性直接決定著動力輸出的穩(wěn)定性[1]。然而，電機(jī)動力輸出與其電能的消耗密切相關(guān)，電流中的波形成分可以反映出轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)。而鑒于日前的研究和應(yīng)用，電機(jī)的振動信號和紅外監(jiān)測仍是電機(jī)故障診斷的主要手段，電機(jī)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(shè)備故障信息。總之，電機(jī)電流與扭矩的關(guān)系在不同故障下表現(xiàn)不同，電機(jī)電流信號特征的差異是對電機(jī)及其拖動設(shè)備故障診斷的一個新領(lǐng)域，近十幾年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對電流診斷電機(jī)及其拖動設(shè)備的研究取得了長足的進(jìn)展。

　　2電流診斷指標(biāo)

　　電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動設(shè)備，主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，由繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場形成磁力轉(zhuǎn)矩，一般在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，受磁場力的作用而轉(zhuǎn)動[1]。其中，三相電流相位角為120°，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨時間變化而變化，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速如式(1)所示，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如公式(2)所示：但是對于電機(jī)的恒定負(fù)載，式(2)中D=0，K=0，然而，當(dāng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩有波動時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度隨之變化，電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流也隨之波動，電流的長期變化可以反映電機(jī)的工作狀態(tài)[2]。

　　電流的時域波形表示電流大小隨時間變化的關(guān)系，電流信號中隱含著多種指標(biāo)[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(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)差、峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)以及波形變化等，可根據(jù)這些對電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行評估，其變化趨勢可用于電機(jī)的故障診斷。任何實際信號都是比較復(fù)雜的，含有多種不同頻率的成分。對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)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(xiàn)時域向頻域的轉(zhuǎn)換，這就是頻域分析。傅里葉變換是進(jìn)行頻率結(jié)構(gòu)分析的重要工具，它可以辨別或區(qū)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(xiàn)時域向頻域的轉(zhuǎn)換，其逆變換可實現(xiàn)頻域向時域的轉(zhuǎn)換。

　　3轉(zhuǎn)子電流時頻域特征分析

　　為了研究轉(zhuǎn)子故障時對電機(jī)電流的影響，利用轉(zhuǎn)子試驗臺對轉(zhuǎn)子碰磨和不平衡故障進(jìn)行模擬[3]。利用電流鉗和示波器監(jiān)測并采集電流，碰磨利用金屬異物觸碰轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子不平衡在轉(zhuǎn)子上增減螺栓，對電流信號采集分析，采樣頻率為10000Hz，采集點為1000個。轉(zhuǎn)子正常時，電機(jī)運行穩(wěn)定后，電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流頻域如圖2所示，時域波形較規(guī)整，毛刺少。時域指標(biāo)中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、峭度、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)等特征值，頻域成分以工頻50Hz為主，諧波成分單純，幾乎沒有其他成分。以轉(zhuǎn)子正常時的工況下的指標(biāo)為準(zhǔn)，與轉(zhuǎn)子碰磨故障和不平衡故障的時域指標(biāo)對比分析[4]。轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障時，時域指標(biāo)中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差和裕度指標(biāo)均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)變化不明顯。

　　時域波形出現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)子正常時有輕微變化，可見，轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨時電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動對電機(jī)電流有影響。轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡故障時，時域指標(biāo)中的絕對幅值、最大值、最小值、峰峰值、有效值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差與轉(zhuǎn)子碰磨故障時相似均有不同幅度的增加，而峭度、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)變化不明顯，時域波形出現(xiàn)明顯波動，波形圖中的毛刺增多，B相電流波形圖出現(xiàn)不規(guī)則的波動，相比正常時的波形圖有明顯削波現(xiàn)象，頻域成分相比正常情況下的變化也較明顯，頻域成分以50Hz為主，低次諧波成分與轉(zhuǎn)子正常時有輕微變化，而50Hz出現(xiàn)不同幅度的邊頻，可見，轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡時電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動對電機(jī)電流有影響。

　　4結(jié)論

　　通過對轉(zhuǎn)子試驗臺電機(jī)三相電流信號的分析相關(guān)特征值隨轉(zhuǎn)子運行工況的變化情況，提取出了11個電流特征，進(jìn)一步探索了當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生碰磨和不平衡故障時電流信號會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，得到了轉(zhuǎn)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(guān)指標(biāo)的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)子故障診斷提供了有效依據(jù)，也為類似轉(zhuǎn)子試驗臺的設(shè)備故障診斷提供了參考。

　　參考文獻(xiàn)：

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

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

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