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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TẠ THÀNH VIỆT PHƢƠNG CHẨN ĐOÁN HƢ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DỊNG ĐIỆN Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN&TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Quảng Ngãi - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƢƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp 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 Trường Đại học Bách khoa Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo khảo sát viện nghiên cứu EPRI (Electric Power Research Institute) yếu tố gây nên hư hỏng cho động phần trăm hư hỏng thành phần động bao gồm 41% khí, 37% stator, 10% rotor, 12% yếu tố khác (chất lượng điện năng, mạch công suất) Do việc nâng cao độ tin cậy, ổn định cho động điện quy trình sản xuất ln ưu tiên phận bảo trì ban lãnh đạo nhà máy Việc chẩn đốn, phát sớm tình trạng hư hỏng động điện giúp chủ động việc lên kế hoạch bảo trì, sản xuất nhà máy tối ưu hố chi phí dự trữ thiết bị thay Động điện ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm nhiều loại, nhiều kích thước, nhiều mức cơng suất khác cho mục tiêu khác Ở nhà máy sản xuất, động chiếm khoảng 40-50% tổng lượng tiêu thụ điện quốc gia cơng nghiệp Có nhiều loại động cơ: động không đồng pha hay ba pha, động đồng bộ, động chiều với nhiều cấp điện áp nhiều cấp tốc độ khác nhau, tần số 50 Hz hay 60 Hz Chính việc chẩn đoán sớm cố cho động điện yêu cầu cần thiết quan trọng góp phần tăng cường đảm bảo độ tin cậy vận hành cho thiết bị nhà máy, nhà máy mà động điện chiếm phần lớn hệ thống truyền động Phương pháp MCSA (Motor Current Signature Analysis) chẩn đốn online, khơng cần dừng thiết bị, không can thiệp tác động trực tiếp vào động Phương pháp chẩn đốn sớm (dự báo) cố phục vụ cho công tác bảo dưỡng phòng ngừa (predictive maintenance) động điện Ở nhà máy lọc dầu Dung Quất có gần 1750 động loại (103 động trung có mức độ ưu tiên tối quan trọng, bị cố ảnh hưởng tới hoạt động phân xưởng nhà máy (gây trip phân xưởng, dừng nhà máy); 1200 động phân loại mức độ ưu tiên quan trọng, bị cố không xử lý kịp thời khoảng thời gian gây dừng phân xưởng có khả gây dừng nhà máy gần 400 động loại khác, nên việc chẩn đoán sớm dấu hiệu hư hỏng cuộn dây động điện giúp cho người vận hành thiết bị đưa kế hoạch bảo dưỡng, sữa chữa nhằm tránh cho việc thiết bị dừng đột ngột, giảm thời gian dừng máy không mong muốn chủ động cơng 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 ln ln tồn mơi trường khí cháy nổ nên tiềm tàng nguy cháy nổ xảy cố cháy nổ động hậu mà mang lại vơ nghiêm trọng Đây bối cảnh động lực để chọn đề tài “CHẨN ĐOÁN HƢ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DỊNG ĐIỆN” để ứng dụng cho việc chẩn đoán cố ngắn mạch cuộn dây động điện xoay chiều không đồng phương pháp phân tích tín hiệu dòng điện cuộn dây stator động Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng thuật toán cho chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator động điện xoay chiều không đồng (turn to turn) dựa phương pháp phân tích phổ dòng điện stator Luận văn sâu xây dựng kiểm nghiệm thuật toán chẩn đoán hiệu nhằm chẩn đốn online xác sớm cố ngắn mạch cuộn dây stator nhằm tăng cường độ tin cậy cho thiết bị, giảm thời gian dừng máy Để thực nội dung trên, luận văn cần phải giải vấn đề sau: - Nghiên cứu nguyên lý cấu tạo động điện xoay chiều pha không đồng - Nghiên cứu lỗi phổ biến động điện xoay chiều pha không đồng nguyên lý phương pháp chẩn đoán lỗi tương ứng - Xây dựng thuật tốn cho phân tích dòng điện stator để chẩn đốn xác sớm cố ngắn mạch cuộn dây stator Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu lỗi ngắn mạch cuộn dây (turn to turn) động điện pha không đồng nhằm đưa phương pháp chẩn đoán, dự báo sớm cố ngắn mạch cuộn dây stator động điện - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết động không đồng pha lỗi ngắn mạch động điện + Tổng quan chẩn đoán lỗi động điện xoay chiều pha không đồng + Xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator động phương pháp phân tích phổ dòng điện Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực nghiên cứu đề tài khoa học này, cần phải kết hợp phương pháp sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu tổng quan động điện xoay chiều pha không đồng bộ, cố phương pháp chẩn đoán cố động điện xoay chiều pha khơng đồng  Nghiên cứu ngun lý chẩn đốn cố động điện xoay chiều pha khơng đồng phương pháp phân tích phổ dòng điện stator (MCSA)  Nghiên cứu thuật toán để chẩn đoán cố ngắn mạch cuộn dây stator động - Phương pháp mơ chẩn đốn cố ngắn mạch cuộn dây stator động điện mô phần mềm Matlab/Simulink so sánh với kết thực nghiệm đo đạc thiết bị MCA EMAX ( Nhà máy Lọc dầu Dung Quất) 5 Bố cục luận văn Luận văn chia làm 03 chương với nội dung chương sau: Chƣơng Tổng quan nguyên lý hoạt động chẩn đoán lỗi động điện xoay chiều không đồng ba pha Chƣơng Phương pháp chẩn đốn lỗi động phân tích dòng điện stator Chƣơng Xây dựng thuật tốn chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator động khơng đồng pha phương pháp phân tích phổ dòng điện Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu chia làm bốn loại sau: - Tài liệu lý thuyết như: Sách Truyền động điện thông minh – Thầy Nguyễn Phùng Quang; Giáo trình máy điện – Bùi Tấn Lợi, - Tài liệu tham khảo 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 nhà máy Lọc dầu Dung Quất CHƢƠNG 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 động điện không đồng pha 1.1.1 Giới thiệu chung Động không đồng động điện hoạt động với tốc độ quay Rotor chậm so với tốc độ quay từ trường stator Ta thường gặp động không đồng rotor lồng sóc đặc tính hoạt động tốt dạng dây quấn Stator quấn cuộn dây lệch không gian (thường cuộn dây lệch góc 120°), cấp điện áp pha vào dây quấn, lòng stator xuất từ trường fs quay tròn với tốc độ n=60*f/p, với p số cặp cực dây quấn stator, f tần số 1.1.2 Các phƣơng pháp chẩn đoán lỗi động điện xoay chiều pha không đồng Vibration monitoring (giám sát độ rung) Noise monitoring (giám sát tiếng ồn) Magnetic flux monitoring (giám sát từ thơng) Partial discharge monitoring (giám sát phóng điện cục bộ) Voltage monitoring (giám sát điện áp) Current monitoring (MCSA) (giám sát dòng điện) CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI ĐỘNG CƠ BẰNG PHÂN TÍCH DỊNG ĐIỆN STATOR Trong kỹ thuật này, dòng stator phân tích để đánh giá phát lỗi động điện pha không đồng Hiện ngồi kỹ thuật phân tích phổ dòng điện (MCSA), để có tham số phân tích phương pháp khác thường yêu cầu phải có biến đổi lắp xung quanh động cơ, việc làm gián đoạn hoạt động động bên cạnh chi phí lắp đặt chuyển đổi gây tốn thêm Nhưng dòng điện stator thu thập khơng có thiết bị gắn thêm thu thập từ thiết bị lắp đặt sẵn cho việc đo lường từ thiết bị bảo vệ dòng, dòng điện, vv MCSA phương pháp phát cảm biến triển khai mà khơng cần thêm phần cứng Dòng điện stator được đo trực tuyến, có nghĩa liệu cho kỹ thuật phân tích dòng điện thực thời điểm động chạy Vì lý này, phổ dòng điện trở thành tham số thực tế để phát lỗi động pha không đồng Hầu hết lỗi khí điện phát sinh động pha không đồng phát kỹ thuật phân tích phổ dòng điện Kỹ thuật phân tích tín hiệu dòng điện chủ yếu ba bước Hình 1.1 nơi bước hiển thị dạng khối Các bước i Thu thập liệu (Data Acquisition) ii Phân tích dòng điện (Feature), iii Đánh giá lỗi (Fault Assessment) Coupler 3ph 50Hz Inducti on Mass Supply motor load Current Transducer Data Acquisition Feature Fault Extracti Assessm Report Generation Hình 1.1 : Sơ đồ khối phát lỗi phân tích tín hiệu dòng điện 10 q trình phân tích Kết thể hình 2.11 2.12 Hình 2.2: Phân tích nhanh chuỗi Fourier dòng điện trạng thái xác lập chạy khơng tải; a động bình thường, b động bị ngắn mạch 2.5% cuộn dây; c động bị ngắn mạch 5% cuộn dây; d động bị ngắn mạch 10% cuộn dây [2] Hình 2.3: Phân tích nhanh chuỗi Fourier dòng điện trạng thái xác lập chạy có tải; a động bình thường, b động bị 11 ngắn mạch 2.5% cuộn dây; c động bị ngắn mạch 5% cuộn dây; d động bị ngắn mạch 10% cuộn dây [2] CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHẨN ĐOÁN LỖI NGẮN MẠCH CUỘN DÂY STATOR CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ DỊNG ĐIỆN 3.1 Giới thiệu chung Dưới trình bày phương trình tần số lỗi tín hiệu dòng điện suy qua phân tích biến đổi chuỗi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) cho lỗi ngắn mạch cuộn dây stator Đối với ngắn mạch cuộn dây động khơng đồng tần số ngắn mạch cuộn dây tính theo cơng thức: fst=fs{n/p(1-s)±k} [8, p 6] Trong đó, fst = tần số ứng với lỗi ngắn mạch cuộn dây stator fs = tần số 50 Hz n = 1,2,3,… p = số đôi cực s = hệ số trượt k = 1,3,5,… [8, p 6] (3.7) 12 3.2 Áp dụng FFT để phân tích phổ dòng điện cho động Nhà máy lọc dầu Dung Quất Với việc thu thập thực tế liệu on-line dòng điện pha 09 động không đồng pha Nhà máy Lọc dầu Dung Quất để làm liệu đầu vào cho việc áp dụng phương pháp biến đổi nhanh chuỗi Fourier (FFT) để phân tích phổ dòng điện pha nhằm phát lỗi ngắn mạch vòng dây cuộn dây stator động điện Dưới ví dụ thơng số động thơng số thu thập từ máy MCEmax Nhà máy Lọc dầu Dung Quất: i) Thông tin thông số động thử nghiệm Nameplate Information Type AC Mtr Frame # 132 NP Freq 50 Volt 400 FLA 14 KW 7.5 HP 10.06 PF 0.89 Eff NP Speed 1455 OP Speed 1455 Slots Bars 13 ii) Thông tin liệu thực nghiệm máy MCE-MAX: Test Date 08/30/18 08/30/18 Test Time 2:00:16 PM 2:05:24 PM Test Location Junction Box Junction Box User Administrator Administrator Tester Serial 5820 5820 Line Freq 50 Hz 50 Hz Current Transformer 1 Line Frequency 49.93 49.93 Line Frequency 49.93 49.93 Line Frequency 49.93 49.93 1255.68 1496.7 % Slip 16.29 0.22 Fp Frequency 34.08 49.93 Fp Amplitude 76.43 Fp Amplitude 78.34 Fp Amplitude 81.23 RMS Amps 59.86 5.92 RMS Amps 62.94 6.32 RMS Amps 62.07 6.24 440.17 44.01 2.86 3.87 Speed RPM % FLA % Current Imbalance 14 iii) Kết trích xuất liệu dòng điện stator từ máy đo MCEMAX: X I1 I2 I3 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 liệu dòng điện pha tần suất lấy mẫu dòng điện đo ta nạp vào WorkSpace MATLAB hình Hình 3.8 : Nạp liệu dòng điện pha tần suất lấy mẫu vào WorkSpace MATLAB 15 Sau ta dùng công cụ Signal Analysis MATLAB để phân tích phổ tín hiệu dòng điện pha động khơng đồng phương pháp FFT Hình 3.9 : Cơng cụ Signal Analysis MATLAB Trong có thông số chu kỳ lấy mẫu Ts = 1.25ms, tần số lấy mẫu 800 Hz (1/Ts), sau phân tích cho dạng phổ dòng điện hình… 16 Hình 3.10 : Dạng phổ dòng điện phân tích FFT a Kết phân tích cho động EM-1112E - Thơng số động (Bảng 3.1) - Thông số đo thử nghiệm động máy MCE-MAX (Bảng 3.2) Bảng 3.1 Thông số động EM-1112E Nameplate Information Type AC Mtr Frame # 200 NP Freq 50 Volt 400 FLA 55 KW 30 HP 40.23 PF 0.86 Eff NP Speed 1470 OP Speed 1470 Slots Bars 17 Bảng 3.2 Thông số đo thực nghiệm Máy MCEmax Test Date 08/30/18 Test Time 9:37:27 AM Test Location Not Assigned User Administrator Tester Serial 5820 MTAP ID Line Freq 50 Hz Current Transformer Ecc Frequency Speed RPM 1484.98 % Slip 1 Peak Peak Peak Peak % FLA 64.08 Peak 1, Speed Peak 2, Speed Peak 3, Speed 18 Peak 4, Speed Line Frequency 50 Line Frequency 50 Line Frequency 50 RMS Amps 33.72 RMS Amps 35.48 RMS Amps 36.53 % Current Imbalance 4.32 Hình 3.11: Tổng hợp phân tích phổ động thực nghiệm -Có động có tần số 25 Hz 75 Hz có khả bị lỗi ngắn mạch vòng dây stator là: EM1519-AC, X1301-EM-07A PM2503 19 -Các động EM1519-AC PM2503: khảo sát thiết bị MCEmax cho kết bình thường Tuy nhiên kết phân tích phổ dòng điện stator cho thấy khả động bị lỗi ngắn mạch vòng dây stator -Động X1301-EM-07A khảo sát thiết bị MCEmax phát lỗi nghiêm trọng Kết phân tích phổ tần số dòng điện stator ngồi tần số 25 Hz 75 Hz có tần số khác ở: ≈32 Hz, ≈44 Hz, ≈117 Hz, ≈142 Hz -Động PM1803A: khảo sát thiết bị MCEmax cho kết bình thường Tuy nhiên kết phân tích phổ dòng điện stator cho thấy tần số cỡ 40 Hz xung quanh tần số 50 Hz nên có khả bị lỗi liên quan dẫn rotor 3.3 Phân tích lỗi cuộn dây stator động phƣơng pháp Park’s vector Motor Signal conditio ner phase supply Park transfomat ion Figure Current transfom Hình 3.24: Sơ đồ khối phương pháp Park’s Vector sử đụng để phân tích phổ dòng điện động xoay chiều khơng đồng pha 20 Các thành phần vng góc vectơ dòng điện Park tính tốn từ hệ thống dòng ba pha đối xứng, có thành phần: ia, ib ic: √ * √ * ( ( ) ) ( ( )+ )+ (3.8) (3.9) [16, p 3] 3.3.2 Áp dụng phép biến đổi Park để phân tích lỗi số động nhà máy Lọc dầu Dung Quất a) Động PM-1803A Hình 3.26: Hình biểu diễn (id,iq) động bình thường 21 Kết phân tích phép biến đổi Park Hình 3.26 cho thấy đường biểu diễn (Id, Iq) có dạng hình tròn Như phân tích Phép biến đổi Park cho thấy động không bị lỗi Hình 3.28: Hình biểu diễn (id,iq) động bình thường động bị lỗi Hình 3.28 cho thấy so sánh biểu diễn (id,iq) động bình thường động bị lỗi Kết cho thấy rõ biễu diễn (id,iq) kì dị động bị lỗi (X-1301-EM-07A(SEVERE)) so với biểu diễn (id,iq) gần lý tưởng (hình tròn) động bình thường ((PM1803A(NORMAL)) Kết cho thấy khả áp dụng phương pháp phân tích vector Park (id,iq) việc phát lỗi động 22 * So sánh: tất động cơ, tìm động bị lỗi: A-5203A-BM01; X-1301-EM-07A; PM-2101B Hình 3.35: Hình biểu diễn (id,iq) tất động bình thường, động có khả bị lỗi động bị lỗi nghiêm trọng Từ hình biểu diễn (id,iq) ta thấy động có bình thường (EM-1112E; EM-1519AC; EM-3201A; A-4002D-PM-07B; PM1803A) có đường biểu diễn (id,iq) có hình dạng gần giống với hình dạng lý tưởng (hình tròn) Trong động (A-5203A-BM-01) có hình dạng biểu diễn (id,iq) kì dị, méo mó, đường biểu diễn (id,iq) động cho thấy rõ sai lệch so với đường biểu diễn (id,iq) lý tưởng (hình tròn) Bên cạnh ta thấy khác biệt rõ rệt hình dạng biểu diễn động bị lỗi nghiêm trọng (X-1301-EM-07A PM- 23 2101A sau quấn lại dây stator) Biễu diễn (id,iq) dòng điện động bị lỗi có hình dạng elip rõ nét, sai lệch nhiều so với đường biểu diễn bình thường (gần với hình tròn lý tưởng) động bình thường, chưa phát dấu hiệu có lỗi 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Như phương pháp chẩn đoán lỗi động áp dụng cho động cơ, với dải công suất khác nhau, phân xưởng cho ứng dụng khác Nhà máy Lọc dầu Dung Quất Mỗi động có thơng tin kiểm tra lỗi bao gồm: - Đo đạc máy MCEmax (kiểm tra Off-line On-line) - Phân tích phổ FFT dòng điện stator - Phân tích Park’s vector dòng điện stator Kết tổng hợp Bảng 3.30 * Nhận xét: - Kết phân tích on-line máy MCEmax khơng phát hết lỗi động điện pha không đồng đặc biệt lỗi ngắn mạch vòng dây cuộn dây stator - Có thể kết hợp kết phân tích dòng stator phương pháp FFT Park’s vector để phát online lỗi liên quan đến cuộn dây stator mà không phát máy MCEmax Qua nâng cao khả nhận biết sớm lỗi động cơ, đặc biệt lỗi liên quan đến ngắn mạch vòng dây cuộn dây stator – lỗi thường dẫn đến lỗi nặng làm dừng động ngắn mạch cuộn dây pha, ngắn mạch cuộn dây pha, ngắn mạch cuộn dây pha với đất KIẾN NGHỊ Trong phạm vi đề tài giới hạn việc phân tích phổ dòng điện để phân tích lỗi liên quan đến ngắn mạch vòng dây động cơ, tác giả mong muốn phát triển, mở rộng đề tài theo hướng thêm lỗi liên quan đến rotor ổ bi động việc phân tích phổ dòng điện động khơng đồng pha ... quan động điện xoay chiều pha không đồng bộ, cố phương pháp chẩn đoán cố động điện xoay chiều pha không đồng  Nghiên cứu nguyên lý chẩn đoán cố động điện xoay chiều pha không đồng phương pháp phân. .. động điện xoay chiều pha không đồng - Nghiên cứu lỗi phổ biến động điện xoay chiều pha không đồng nguyên lý phương pháp chẩn đoán lỗi tương ứng - Xây dựng thuật toán cho phân tích dòng điện stator. .. làm 03 chương với nội dung chương sau: Chƣơng Tổng quan nguyên lý hoạt động chẩn đoán lỗi động điện xoay chiều không đồng ba pha Chƣơng Phương pháp chẩn đoán lỗi động phân tích dòng điện stator