Chuẩn đoán những hư hỏng thường gặp của động cơ không đồng bộ 3 pha

KHOA HỌC-KỸ THUẬT CHUẨN ĐOÁN NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP CỦA ĐỘNG KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA • NGUYỀN NGỌC TlỀN TĨM TẮT: Bài báo trình bày việc phát lỗi vỡ rotor lỗi vòng bi động điện không đồng sử dụng phân tích tín hiệu dịng điện stator (MCS A) Gần đây, động điện trở nên phổ biến giá độ tin cậy Chúng sử dụng nhiều ứng dụng điều khiển quan trọng nhà máy cán, máy nén biến tần, máy bơm, máy quạt Theo dõi tình trạng động làm giảm đáng kể chi phí bảo trì việc phát sớm lỗi Trong nghiên cứu này, MCSA áp dụng cho động điện để phát lỗi rotor vòng bi bị hỏng Việc chẩn đốn lỗi rotor vịng bi bị hỏng động cảm ứng lồng sóc, nghiên cứu điều kiện đầy đủ tải tiến hành thử nghiệm cách phân tích mật độ phổ cơng suất dịng điện stato sử dụng card thu thập liệu Arduino công cụ xử lý tín hiệu phần mềm LabView [ ] Từ khóa: giám sát tình trạng, mật độ phổ công suất, lỗi rôto, công suất truyền động, MCSA, FFT Đặt vấn đề Động điện không đồng thường sử dụng ngành công nghiệp nhiều ứng dụng chúng có cấu trúc đơn giản, chi phí tốn ổn định Có loại động cảm ứng sử dụng ngành cơng nghiệp động rotor long sóc rotor dây quấn Động cảm ứng lồng Ỉ'c sử dụng thường xuyên ứng ng công nghiệp giá thấp, sức mạnh chúng, u trúc đơn giản, bảo trì dễ dàng Gần đây, động rotor lồng sóc ngày sử dụng nhiều ứng dụng công nghiệp máy cán, tráy nén biến tần, máy bơm, máy quạt Phát sớm bất thường hệ thông truyền đọng động quan trọng cho hoạt động an toàn, kinh tế khơng bị gián đoạn Có nhiều lỗi xảy máy điện Tỷ lệ hư hỏng động cảm ứng Hình [7] Hình ì: Tỷ lệ hư hỏng động điện Others Rotor 10% Số5-Tháng 3/2022 345 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hư hỏng động có loại: hư hỏng điện hư hỏng khí Những hư hỏng điện Hình [7], Các hư hỏng khí như: lỗi rotor, vòng bi, rotor cân bằng, lỗi khe hở khơng khí stator va rotor (Hình 2) Hình 3: Lỗi rotor Hình 2: Các hư hỏng cuộn dây stator Hình 4: Phổ rotor hư Tổng quan nghiên cứu Các nghiên cứu chuẩn đoán gồm có kiểm sốt mơmen lực trục động kiểm soát tiến ồn, đo độ rung, kiểm soát dựa đại lượng dòng điện điện áp Các phương pháp kiểm sốt dịng stator để phát nhiều lỗi động biến tần, Việc chuẩn đốn dựa dịng điện khơng cần cảm biến Các phương pháp phân tích lỗi động dựa việc phân tích phổ chưa có dâu hiệu đặc trưng triệu chứng lỗi tình cụ thể Phương pháp nghiên cứu 3.1 Nguyên nhân lỗi rotor Một số nguyên nhân gây lỗi sau: > Vật liệu làm rotor khơng đồng > Trong q trình hoạt động rotor sinh nhiệt > Độ ẩm môi trường Lỗi Rotor bắt đầu điện trở rotor tăng cao, gây nhiệt độ cao sau tiến triển nứt lỗ nhỏ rotor (Hình 3) Dạng phổ lỗi rotor (Hình 4) Khi rotor bị lỗi, xuất phổ lỗi biên độ cao bất thường, LSB USB, cơng thức tính tần số lỗi sau [5] 34Ó Số - Tháng 3/2022 > fLSB =fi(l-2ks) (1) > fUSB =fi(l+2ks) (2) V ới: fl: tần số nguồn điện 50Hz s: hệ số trượt k: số tự nhiên ± 1, ±2, ±3, > Tốc độ từ trường: nl = 120fl/p Với p: số cực động > Hệ số trượt s: s = (ill - n)/nl Với n: tốc độ rotor (rpm) 3.2 Nguyên nhân lỗi vòng bi (3) (4) Những ngun nhân gây lỗi vịng bi: > Mơi trường bụi bẩn > Chất bôi trơn > Nhiệt độ > Tháo lắp không cách Hư hỏng vết trầy nhỏ bên vòng bi, lâu ngày lan mặt (inner race) mặt (outer race) vịng bi tạo thành lỗ nhỏ [3] (Hình 5, 6) Cơng thức tính lỗi vịng bi sau: fbearing = \fl ±m.fì,o\ (5) Với: m số tự nhiên ±1, ±2, ±3, ±4, ; fi tần số inner race; fo tần số outer race fi,o fr (1 ± - Pb cos p) v Dc KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 5: Lỗi inner race Hình 6: Lồi outer race Với: Nb số viên bi vịng bi; fr tần sơ' rotor đơn vị Hz; Db đường kính viên bi; Dc khoảng cách tâm viên bi; p góc quay viên bi Tuy nhiên, số viên bi từ đến 12 cơng thức (5) xấp xỉ sau: fo=0,4Nbfr (6) fi = 0,6Nbf* (7) 3.4 Cơng cụ tính PSD labview (Hình 8) 3.5 Code Labview (Hình 9) Kết 4.1 Mơ hình chẩn đốn hư hỏng động điện Rotor lồng sóc (Hình 10) Thơng số động card thu thập liệu Bảng 1,2 Cấu tạo vịng bi vịng bi cho Hình Hình 7: cấu tạo vịng bi Hĩnh 8: Khối tính PSD Spectral Measurements ► Signals Measurement o Phase - 5?— Bảng Thông số động chẩn đốn Pha Cực Điện áp Dịng điện Tốc độ Công suất Tần số 3.3 Mật độ phổ cơng suất (PSD) FFT tín hiệu chuyển tín hiệu từ liền thời gian sang miền tần số cửa sổ lọc sử ạng cửa sổ Hanning (8) Với M số mẫu thu thập Mật độ phổ cơng suất tính từ FFT sau: PSD(f) — -ỉ— wsi(f) X wsi*(f) M (9) 110V/220V 24A/12A 1500 khơng tải 1.5 KW 50Hz Dịng điện stator động thu thập qua cảm biến dòng ACS 712-30A, sau qua chuyển đổi A/D tơ'c độ lấy mẫu 860 S/s đưa máy tính Sử dụng cơng cụ xử lý tín hiệu phần mềm labview để phân tích phổ tín hiệu này, cuối đem so sánh phổ vừa tính tốn với phổ động tình trạng bình thường để kết luận động có lỗi hay khơng lỗi [3] 4.2 Lỗi rotor (Bảng 3, Hình 11, Hình 12) Tính toán tần số hư SỐ - Tháng 3/2022 347 TẠP CHÍ CƠNG THƯ0NG Hình 9: Code phán tích phổ labview Bảng Tần sô' lỗi Rotor Tồcđộ 1485 rpm k=1 Hệ sô' trượt LSB USB S=0.01 49Hz 51 Hz 4.3 Lỗi vòng bi 3.1 Lỗi inner race (Bảng 4, Hĩnh 13, Hình 14) Động chẩn đốn inner race lỗ 2mm Số viên bi (Nb= 8) bearing = lfl ± m.fll Hình 10: Mơ hình chẩn đoán fl = 0.6 Nbfr = 0.6x8x1485/60 = 118.24Hz bearing = I fl±mfl I = I 50 18.24 I = 68.8Hz (m=l) Bảng Tần sơ' lỗi vịng bi inner race Hệsô' k= trượt LSB S=0.01 68.8 Hz Tõcđộ Bảng Thông sô' cord thu thập liệu Arduino Microcontroller ATmega328 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-20V Digital I/O Pins 4.3.2 Outer race (Bảng 5, Hình 15, Hình 16) Động chẩn đoán outer race lỗ 2mm Số viên bi (Nb = 7) fbearing = lfl±m.fol fo = 0,4 Nbfr = 0.4x7x 1485/60 = 69.3Hz fbearing = lfl±mfol = l 50 -2*69.31 = 88.6Hz (m = 2) 14 (of which provide PWM output) Analog Input Pins DC Current per I/O Pin 40mA DC Current for 3.3V Pin 50mA Flash Memory 1485 rpm 32KB (ATmega328) of which 0.5KB used by bootloader SRAM 2KB (ATmega328) EEPROM 1KB (ATmega328) Clock Speed 16MHz ^bearing = I fl ± mf0 I = I 50 - 2*69.3 I = 188.6Hz (m = 2) Bảng Tần sơ' lồi vịng bi outer race Toe độ 1485 rpm Tốc độ động cơ: 1478v/p s.; 1500-1478 = 0.015 1500 LSB = (l-2*s)*50 = 49Hz USB = (l-2*s)*50 = 51Hz 348 SƠ'5-Tháng 3/2022 m= Hệsơ' trượt LSB USB S=0.01 88.6Hz 188.6Hz 4.3.3 Lỗi hỗn hợp (Bảng 6, Hình 17, Hình 18) Động chẩn đốn vừa bị lỗi rotor lỗi inner race Do đó, tần số xuất lỗi 49 HZ, 51Hz 68.8Hz (Bảng 6) KHOA HỌC - KỸ THUẬT Hình 1: Phổ động bình thường có tải Hình 15: Phổ ĐC bình thường có tải pll0 uratWiFS SB Frequency '+a* I Ste I Hình 12: Phổ động bị vỡ Hình 16: Phổ ĐC lỗi Outer race Hình 13: Phổ ĐC bình thường có tải Hình 17: ĐC bình thường có tải Pho Hình 14: Phổ ĐC lồi Inner race có tải Untitled (PSD) a Hình 18: ĐC bị lỗi hỗn hỢp rotor inner race ì Số - Tháng 3/2022 349 TẠP CHÍ CƠNG THƯ0NG Bảng Tần số lỗi rotor vòng bi inner race Tõcđộ 1485 rpm m=1 k= Hệ sô' trượt LSB USB LSB s = 0.01 49Hz 51 Hz 68.6Hz Giải pháp đề xuất ❖ Thiết kế/giảipháp nghiên cứu - Sử dụng card thu thập liệu Arduino cơng cụ xử lý tín hiệu phần mềm LabView Kết thực cho thấy phương pháp hiệu hữu ích cho việc chẩn đốn lỗi rotor vịng bi ❖ Mơ hình áp dụng Động khơng đồng phần mềm LabView ❖ Cơng cụ nghiên cứu Phân tích phổ phần mềm LabView đưa kết luận Kết thảo luận Nghiên cứu nhằm phát lỗi tiềm ần rotor vòng bi rotor lồng sóc cách sử dụng PSD để phân tích tín hiệu dịng điện stator Trong điều kiện tải đầy đủ phương pháp phát lỗi, điều kiện non tải khơng tải khó phát hiện, dễ gây nhầm lẫn việc đánh giá tình trạng hoạt động động Kết luận khuyến nghị Nghiên cứu nhằm phát lỗi tiềm ần rotor vòng bi rotor lồng sóc cách sử dụng PSD để phân tích tín hiệu dịng điện stator Trong điều kiện tải đầy đủ phương pháp phát lỗi, điều kiện non tải không tải khó phát hiện, dễ gây nhầm lẫn việc đánh giá tình trạng hoạt động động ■ Lời cảm ơn: Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp, với quý thầy cô giáo môn Điện - Điện tử, Triiờng Đại học Trà Vinh có đóng góp quỷ báu để góp phần cho tơi hồn thành báo TÀI LIỆU THAM KHẢO: Đỗ Đức Tuấn, Đỗ Việt Dũng (2000) Phương pháp xây dựng phân tích mơ hình chẩn đốn trạng thái kĩ thuật máy điện kéo đầu máy diesel Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị khoa học công nghệ Trường Đại học Giao thông Vận tải Lê Lăng Vân (2011) Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật đánh giá độ tin cậy động diezel đầu máy vận dụng Việt Nam Luận án Tiến sỹ, Trường Đại học Giao thông Vận tải Lê Mạnh Việt (2007) Chẩn đoán trạng thái cách điện máy điện chiều sở đặc tính tần số phần ứng Tạp chí Giao thơng Vận tải Đinh Thành Việt, Nguyễn Quốc Tuân, Nguyễn Văn Lê (2005) ứng dụng mạng nơron chẩn đoán cố tiềm ẩn máy biến áp lực Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng Lê Hoài Đức (2011) ứng dụng tập mờ chẩn đốn kỹ thuật động diesel Tạp chí Khoa học Trường Đại học Giao thông Vận tải Ngày nhận bài: 13/1/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 13/2/2022 Ngày chấp nhận đăng bài: 23/2/2022 350 Số - Tháng 3/2022 KHOA HỌC-KỸ THUẬT Thông tin tác giả: ThS NGUYỄN NGỌC TIEN Khoa Kỹ thuật Công nghệ Trường Đại học Trà Vinh DIAGNOSING COMMON FAILURES OF 3-PHASE ASYNCHRONOUS MOTORS • Master NGUYEN NGOCTIEN Faculty of Engineering and Technology Tra Vinh University ABSTRACT: This paper presents the detection of rotor bar and bearing failures in an induction motor using stator current signal analysis (MCSA) Recently, electric motors have become very popular thanks to their reasonable price and reliability They have been used in many critical control applications such as rolling mills, inverter compressors, pumps, and blowers Monitoring engine performance can significantly reduce maintenance costs in early detection of faults In this study, MCSA is applied to electric motors to detect defective rotor bar and bearing failures Diagnosis of a defective rotor bar and bearing failure in squirrel cage induction motors was studied under full load condition and was tested by power spectral density analysis of stator current using Arduino data acquisition card and signal processing tool in LabView software The results show that this method is very effective and useful for diagnosing rotor and bearing failures Keywords: condition monitoring, power spectral density, rotor fault, driving power, MCSA, FFT SỐ - Tháng 3/2022 351 ...TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hư hỏng động có loại: hư hỏng điện hư hỏng khí Những hư hỏng điện Hình [7], Các hư hỏng khí như: lỗi rotor, vòng bi, rotor cân bằng, lỗi... va rotor (Hình 2) Hình 3: Lỗi rotor Hình 2: Các hư hỏng cuộn dây stator Hình 4: Phổ rotor hư Tổng quan nghiên cứu Các nghiên cứu chuẩn đoán gồm có kiểm sốt mơmen lực trục động kiểm soát tiến ồn,... viên bi từ đến 12 cơng thức (5) xấp xỉ sau: fo=0,4Nbfr (6) fi = 0,6Nbf* (7) 3. 4 Cơng cụ tính PSD labview (Hình 8) 3. 5 Code Labview (Hình 9) Kết 4.1 Mơ hình chẩn đốn hư hỏng động điện Rotor lồng