Chẩn đoán hư hỏng cuộn dây stator động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp phân tích tín hiệu dòng điện

Đây chính là bối cảnh và động lực để tôi chọn đề tài “CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DÒNG ĐIỆN” để ứng

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Quảng Ngãi - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại

TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ QUỐC HUY

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Phản biện 2: PGS.TS Lê Tiến Dũng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học

Phạm Văn Đồng vào ngày 29 tháng 12 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo khảo sát của viện nghiên cứu EPRI (Electric Power Research Institute) về các yếu tố gây nên hư hỏng cho động cơ về phần trăm hư hỏng của các thành phần trong một động cơ bao gồm 41% của cơ khí, 37% của stator, 10% của rotor, 12% của các yếu tố khác (chất lượng điện năng, mạch công suất) Do đó việc nâng cao

độ tin cậy, ổn định cho các động cơ điện trong quy trình sản xuất luôn là ưu tiên của bộ phận bảo trì cũng như ban lãnh đạo tại các nhà máy Việc chẩn đoán, phát hiện sớm tình trạng hư hỏng của động cơ điện sẽ giúp chúng ta chủ động trong việc lên kế hoạch bảo trì, sản xuất tại nhà máy và tối ưu hoá chi phí dự trữ thiết bị thay thế

Động cơ điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm nhiều loại, nhiều kích thước, nhiều mức công suất khác nhau cho các mục tiêu khác nhau Ở các nhà máy sản xuất, động cơ chiếm khoảng 40-50% tổng lượng tiêu thụ điện ở các quốc gia công nghiệp Có nhiều loại động cơ: động cơ không đồng bộ một pha hay

ba pha, động cơ đồng bộ, động cơ một chiều với nhiều cấp điện áp và nhiều cấp tốc độ khác nhau, tần số 50 Hz hay 60 Hz Chính vì thế việc chẩn đoán sớm được sự cố cho động cơ điện là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng góp phần tăng cường và đảm bảo độ tin cậy vận hành cho các thiết bị và nhà máy, nhất là các nhà máy mà ở

đó động cơ điện chiếm phần lớn trong các hệ thống truyền động

Phương pháp MCSA (Motor Current Signature Analysis) có thể chẩn đoán online, không cần dừng thiết bị, không can thiệp và tác động trực tiếp vào động cơ Phương pháp này còn có thể chẩn đoán sớm (dự báo) sự cố phục vụ cho công tác bảo dưỡng phòng ngừa (predictive maintenance) động cơ điện

Ở nhà máy lọc dầu Dung Quất có gần 1750 động cơ các loại (103 động cơ trung thế có mức độ ưu tiên tối quan trọng, khi bị sự cố

sẽ ảnh hưởng tới hoạt động của phân xưởng và nhà máy (gây trip phân xưởng, dừng nhà máy); 1200 động cơ được phân loại mức độ

ưu tiên quan trọng, khi bị sự cố nếu không xử lý kịp thời trong một khoảng thời gian nào đó sẽ gây dừng phân xưởng và có khả năng gây dừng nhà máy và gần 400 động cơ các loại khác, nên việc chẩn đoán sớm dấu hiệu hư hỏng cuộn dây của động cơ điện sẽ giúp cho người vận hành thiết bị đưa ra kế hoạch bảo dưỡng, sữa chữa nhằm tránh cho việc thiết bị dừng đột ngột, giảm thời gian dừng máy không mong muốn và chủ động trong công tác bảo dưỡng phòng ngừa góp phần vào việc tăng cường độ tin cậy, vận hành ổn định cho nhà máy Với đặc thù nhà máy Lọc dầu luôn luôn tồn tại môi trường khí cháy

nổ nên luôn tiềm tàng nguy cơ cháy nổ khi xảy ra sự cố cháy nổ động cơ và hậu quả mà nó mang lại sẽ vô cùng nghiêm trọng

Đây chính là bối cảnh và động lực để tôi chọn đề tài “CHẨN

ĐOÁN HƯ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DÒNG ĐIỆN” để ứng dụng cho

việc chẩn đoán sự cố ngắn mạch cuộn dây của động cơ điện xoay

chiều không đồng bộ bằng phương pháp phân tích tín hiệu dòng điện cuộn dây stator của động cơ

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng được thuật toán cho chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ (turn to turn) dựa trên phương pháp phân tích phổ dòng điện stator

Luận văn này đi sâu xây dựng và kiểm nghiệm thuật toán chẩn đoán hiệu quả nhằm chẩn đoán online chính xác và sớm sự cố ngắn mạch cuộn dây stator nhằm tăng cường độ tin cậy cho thiết bị, giảm được thời gian dừng máy

Để thực hiện nội dung trên, luận văn cần phải giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu nguyên lý và cấu tạo của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

- Nghiên cứu các lỗi phổ biến của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ và nguyên lý của các phương pháp chẩn đoán lỗi tương ứng

- Xây dựng thuật toán cho phân tích dòng điện stator để chẩn đoán chính xác và sớm sự cố ngắn mạch cuộn dây stator

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là về lỗi ngắn mạch cuộn dây (turn to turn) của động cơ điện 3 pha không đồng bộ nhằm đưa ra phương pháp chẩn đoán, dự báo sớm sự cố ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ điện

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu đề tài khoa học này, thì cần phải kết hợp 2 phương pháp sau:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Nghiên cứu tổng quan về động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ, các sự cố và các phương pháp chẩn đoán sự cố của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

 Nghiên cứu nguyên lý chẩn đoán sự cố của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện stator (MCSA)

 Nghiên cứu thuật toán để chẩn đoán sự cố ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ

- Phương pháp mô phỏng chẩn đoán sự cố ngắn mạch của cuộn dây stator của động cơ điện được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink và so sánh với kết quả thực nghiệm đo đạc được bởi thiết bị MCA EMAX ( tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất)

5 Bố cục luận văn

Luận văn được chia làm 03 chương với các nội dung chính của mỗi chương như sau:

Chương 1 Tổng quan nguyên lý hoạt động và chẩn đoán lỗi

của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

Chương 2 Phương pháp chẩn đoán lỗi động cơ bằng phân

tích dòng điện stator

Chương 3 Xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch

cuộn dây stator của động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu được chia làm bốn loại chính như sau:

- Tài liệu về lý thuyết như: Sách Truyền động điện thông

minh – Thầy Nguyễn Phùng Quang; Giáo trình máy điện – Bùi Tấn

Lợi,

- Tài liệu tham khảo về MCSA : K M Siddiqui, K Sahay,

and V K Giri, “Health Monitoring and Fault Diagnosis in Induction

Motor-A Review,” 2014 ; W T Thomson and I Culbert, Current Signature Analysis for Condition Monitoring of Cage Induction Motors: Industrial Application and Case Histories John Wiley &

Sons, 2017

- Báo cáo nội bộ của nhà máy Lọc dầu Dung Quất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHẨN ĐOÁN LỖI CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ 3 pha

Giới thiệu chung

1.1.1.

Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường stator Ta thường gặp động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn

Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường là 3 cuộn dây lệch nhau góc 120°), khi cấp điện áp 3 pha vào dây quấn, trong lòng stator xuất hiện từ trường fs quay tròn với tốc

độ n=60*f/p, với p là số cặp cực của dây quấn stator, f là tần số

Các phương pháp chẩn đoán lỗi của động cơ điện

1.1.2.

xoay chiều 3 pha không đồng bộ

1 Vibration monitoring (giám sát độ rung)

2 Noise monitoring (giám sát tiếng ồn)

3 Magnetic flux monitoring (giám sát từ thông)

4 Partial discharge monitoring (giám sát phóng điện cục bộ)

5 Voltage monitoring (giám sát điện áp)

6 Current monitoring (MCSA) (giám sát dòng điện)

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI ĐỘNG CƠ BẰNG PHÂN

TÍCH DÒNG ĐIỆN STATOR

Trong kỹ thuật này, dòng stator được phân tích để đánh giá

và phát hiện lỗi của động cơ điện 3 pha không đồng bộ Hiện nay ngoài kỹ thuật phân tích phổ dòng điện (MCSA), để có được các tham số phân tích thì các phương pháp khác thường yêu cầu phải có các bộ biến đổi được lắp xung quanh động cơ, việc này có thể làm gián đoạn hoạt động của động cơ bên cạnh đó chi phí lắp đặt các bộ chuyển đổi này cũng gây tốn kém thêm Nhưng dòng điện stator có thể thu thập được ngay cả khi không có bất kỳ thiết bị gắn thêm nào được thu thập từ các thiết bị đã được lắp đặt sẵn cho việc đo lường từ các thiết bị bảo vệ quá dòng, dòng điện, vv

MCSA là một phương pháp phát hiện cảm biến có thể được triển khai mà không cần thêm bất kỳ phần cứng nào Dòng điện stator có thể được được đo trực tuyến, có nghĩa là dữ liệu cho kỹ thuật phân tích dòng điện có thể được thực hiện tại mọi thời điểm khi động cơ đang chạy Vì những lý do này, phổ dòng điện trở thành một tham số thực tế để phát hiện lỗi của động cơ 3 pha không đồng bộ

Hầu hết các lỗi cơ khí và điện có thể phát sinh trong động cơ

3 pha không đồng bộ có thể phát hiện bằng kỹ thuật phân tích phổ dòng điện này

Kỹ thuật phân tích tín hiệu dòng điện chủ yếu là ba bước như trong Hình 1.1 nơi mỗi bước được hiển thị dưới dạng một khối Các bước là

i Thu thập dữ liệu (Data Acquisition)

ii Phân tích dòng điện (Feature), và iii Đánh giá lỗi (Fault Assessment)

Hình 1.1 : Sơ đồ khối phát hiện lỗi bằng phân tích tín hiệu dòng điện

Phân tích phổ dòng điện stator để phát hiện các lỗi 2.1.1.

liên quan cuộn dây stator

a Các công cụ phân tích hữu ích để chẩn đoán lỗi cuộn dây

Để phân tích đặc tính của dòng điện của động cơ khỏe mạnh

và bị lỗi, các tín hiệu dòng điện được chia thành hai phần: (a) quá độ

transient analysis through statistical parameters

Wavelet Transformation of stator current in Park plane

hiện quá trình phân tích Kết quả được thể hiện trong hình 2.11 và 2.12

Hình 2.2: Phân tích nhanh chuỗi Fourier dòng điện ở trạng thái xác lập khi chạy không tải; a động cơ bình thường, b động cơ bị ngắn mạch 2.5% cuộn dây; c động cơ bị ngắn mạch 5% cuộn dây; d động cơ bị ngắn mạch 10% cuộn dây [2]

Hình 2.3: Phân tích nhanh chuỗi Fourier dòng điện ở trạng thái xác lập khi chạy có tải; a động cơ bình thường, b động cơ bị

ngắn mạch 2.5% cuộn dây; c động cơ bị ngắn mạch 5% cuộn dây; d động cơ bị ngắn mạch 10% cuộn dây [2]

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHẨN ĐOÁN LỖI NGẮN MẠCH CUỘN DÂY STATOR CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ DÒNG ĐIỆN 3.1 Giới thiệu chung

Dưới đây trình bày các phương trình tần số lỗi của tín hiệu dòng điện được suy ra qua phân tích của biến đổi chuỗi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) cho lỗi ngắn mạch cuộn dây stator

Đối với ngắn mạch trong cuộn dây của động cơ không đồng

bộ thì tần số ngắn mạch của cuộn dây được tính theo công thức:

fst=fs{n/p(1-s)±k} [8, p 6] (3.7) Trong đó,

fst = tần số ứng với lỗi ngắn mạch cuộn dây stator

3.2 Áp dụng FFT để phân tích phổ dòng điện cho các động cơ ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Với việc thu thập thực tế dữ liệu on-line dòng điện 3 pha của 09 động cơ không đồng bộ 3 pha ở Nhà máy Lọc dầu Dung Quất để làm

dữ liệu đầu vào cho việc áp dụng phương pháp biến đổi nhanh chuỗi Fourier (FFT) để phân tích phổ dòng điện 3 pha nhằm phát hiện ra lỗi ngắn mạch vòng dây của cuộn dây stator động cơ điện

Dưới đây là 1 ví dụ về thông số động cơ và thông số thu thập được từ máy MCEmax ở Nhà máy Lọc dầu Dung Quất:

i) Thông tin về các thông số của động cơ được thử nghiệm

Nameplate Information Type AC Mtr

Bars

ii) Thông tin về các dữ liệu thực nghiệm bằng máy MCE-MAX:

Test Location Junction Box Junction Box

iii) Kết quả trích xuất dữ liệu dòng điện stator từ máy đo MCEMAX:

0 47.21341472 -17.87343482 -29.93961609 0.00125 41.57719051 0.807367504 -43.21935017 0.0025 29.31011428 20.314754 -49.94119087 0.00375 13.72761204 36.35048696 -49.77724354 0.005 -4.341459701 45.77354654 -41.41592949 0.00625 -21.25013234 48.9145664 -26.66066941 0.0075 -35.34069288 44.78164553 -8.954357306 0.00875 -43.6292579 32.7135166 11.37511214 0.01 -46.7789126 18.00031831 29.40931891

Từ dữ liệu dòng điện 3 pha và tần suất lấy mẫu của dòng điện đo được ta nạp vào WorkSpace của MATLAB như hình

Hình 3.8 : Nạp dữ liệu dòng điện 3 pha và tần suất lấy mẫu vào

WorkSpace của MATLAB

Sau đó ta dùng công cụ Signal Analysis trong MATLAB để phân tích phổ tín hiệu dòng điện của 3 pha động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FFT

Hình 3.9 : Công cụ Signal Analysis trong MATLAB

Trong đó có các thông số như chu kỳ lấy mẫu Ts = 1.25ms, tần số lấy mẫu là 800 Hz (1/Ts), sau khi phân tích cho ra dạng phổ của dòng điện như hình…

Hình 3.10 : Dạng phổ của dòng điện khi phân tích FFT

a Kết quả phân tích cho động cơ EM-1112E

- Thông số của động cơ (Bảng 3.1)

- Thông số đo thử nghiệm động cơ bằng máy MCE-MAX (Bảng 3.2)

Bảng 3.1 Thông số động cơ EM-1112E

Bảng 3.2 Thông số đo thực nghiệm bằng Máy MCEmax

-Các động cơ EM1519-AC và PM2503: khi khảo sát bằng thiết bị MCEmax thì cho kết quả bình thường Tuy nhiên kết quả phân tích phổ dòng điện stator cho thấy khả năng động cơ bị lỗi ngắn mạch vòng dây stator

-Động cơ X1301-EM-07A khi khảo sát bằng thiết bị MCEmax thì phát hiện lỗi nghiêm trọng Kết quả phân tích trên phổ tần số dòng điện stator ngoài tần số 25 Hz và 75 Hz còn có các tần số khác ở:

≈32 Hz, ≈44 Hz, ≈117 Hz, ≈142 Hz

-Động cơ PM1803A: khi khảo sát bằng thiết bị MCEmax thì cho kết quả bình thường Tuy nhiên kết quả phân tích phổ dòng điện stator cho thấy các tần số cỡ 40 Hz xung quanh tần số cơ bản 50 Hz nên có khả năng bị lỗi liên quan thanh dẫn rotor

3.3 Phân tích lỗi cuộn dây stator động cơ bằng phương pháp Park’s vector

Hình 3.24: Sơ đồ khối của phương pháp Park’s Vector sử đụng để phân tích phổ dòng điện động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha

Signal conditioner

Motor

Park transfomation

Các thành phần vuông góc của vectơ dòng điện Park có thể được tính toán từ hệ thống dòng ba pha đối xứng, có các thành phần: ia, ib và ic:

√ * ( ) ( )+ (3.8)

√ * ( ) ( )+ (3.9)

[16, p 3]

3.3.2 Áp dụng phép biến đổi Park để phân tích lỗi một số động cơ

ở nhà máy Lọc dầu Dung Quất

a) Động cơ PM-1803A

Hình 3.26: Hình biểu diễn (id,iq) của một động cơ bình thường

Kết quả phân tích phép biến đổi Park như trên Hình 3.26 cho thấy đường biểu diễn (Id, Iq) có dạng hình tròn Như vậy phân tích bằng Phép biến đổi Park cho thấy động cơ không bị lỗi

Hình 3.28: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường và động

cơ bị lỗi Hình 3.28 cho thấy sự so sánh biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường và động cơ bị lỗi Kết quả cho thấy rõ biễu diễn (id,iq) kì dị của động cơ bị lỗi (X-1301-EM-07A(SEVERE)) so với biểu diễn (id,iq) gần lý tưởng (hình tròn) của động cơ bình thường ((PM-1803A(NORMAL)) Kết quả này cho thấy khả năng áp dụng phương pháp phân tích vector Park (id,iq) trong việc phát hiện lỗi của động

cơ