Chẩn đoán hư hỏng máy phát điện đồng bộ P=1kw

Nội dung text: Chẩn đoán hư hỏng máy phát điện đồng bộ P=1kw

1. CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ P=1KW Nguyễn Minh Hoàng TS.Nguyễn Minh Tâm Trường Trung cấp nghề Kon Tum ĐHSPKT TP.HCM Email:Hoangkdth@gmail.com Email:tamnguyenspkt@gmail.com TÓM TẮT: Chẩn đoán hư hỏng là xác định trạng thái của một hệ thống ở một thời điểm xác định đang hoặc sẽ diễn ra, dựa trên các triệu chứng bên ngoài. Nội dung khoa học này xem xét các phương pháp thu thập và đánh giá các thông tin chẩn đoán, kết luận khả năng hư hỏng cùa máy phát điện. Từ khóa: Condition monitoring; Demodulation; Envelope analysis; Generator bearing; Wind turbine; Outer race fault, Inner race fault. I. GIỚI THIỆU: Như ta đã biết Máy phát điện là thiết bị cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị khác hoạt động vì vậy việc xác định các nguyên nhân hư hỏng tiềm ẩn của máy phát điện là nhiệm vụ rất quan trọng. dối với máy phát điện có những hư hỏng chính như sau: Theo thống kê hư hỏng MPĐ[6] thì có những dạng hư hỏng sau: Bearing:58%,Stator:15%,Rotor:4%,Rotor leads:4%, Colector rings:4%,Startor wedge:14, Other:1%. Trong đó hư hỏng chiếm tỷ trọng cao nhất là Bearing:58% Về chất lượng điện năng khi máy phát hoạt động bình thường sẽ cung cấp nguồn điện đạt chất lượng, việc này sẽ làm tăng tuổi thọ cho các thiết bị sử dụng điện. Với hai mục đích trên tác giả nghiên cứu tìm hiểu các kiến thức liên quan đến máy phát điện, hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu trên phần mềm LabVIEW 2009 để phát hiện các lỗi tiềm ẩn của máy phát điện mục đích để người vận hành bảo trì báo dưỡngng nhằm cải thiện độ tin cậy, an toàn và tuổi thọ của hệ thống kỹ thuật. Ngoài ra còn đánh giá được chất lượng nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị. Hình 1: Các hư hỏng thường gặp ở máy phát điện
2. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 1. Phương pháp phân tích phổ tín hiệu: 1.1.Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm Chẩn đoán lỗi MP FFT Tải Chuyển đổiA/D Cảm biến dòng Mạch lọc Hình 2: Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm 1.2.Những hư hỏng thường gặp MPĐ Máy điện đồng là máy phát điện có tốc độ quay không đổi xác định theo đôi cực p và tần số f đã cho của dòng điện xoay chiều Bảng 1: Thống số MPĐ P 1KW Cosϕ 1 Uđm 230V Excit.current 1.6A Excit.Volt 23V Frequency 50Hz Rpm 1500 Phase 3 Hình 3: MPĐ đồng bộ P=1KW Number ball 1 7 Number ball 2 8
3. Trên cơ sở khảo sát hoạt động của MPĐ, phân tích những hư hỏng và xác định các ràng buộc về giới hạn bổ sung thêm các liên hệ cho mô hình. Hình 4: Các hư ỏh ng thường gặp ở MPĐ[7] Có nhiều nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng của MPĐ, song có một số nguyên nhân liên quan đến vấn đề nêu ra của đề tài cần được quan tâm đó là: Cuộn dây cực từ chính và phụ phát sinh sự cố (đứt, trày xước gây chạm chập) hoặc làm việc trong thời gian dài ở nhiệt độ cao trong môi trường bụi bẩn làm suy giảm dẫn tới hư hỏng lớp cách điện, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng làm việc của MPĐ.Theo thống kê hư hỏng MPĐ[6] thì có những dạng hư hỏng sau: Bearing:58%, Stator:15%,Rotor:4%, Rotor leads:4%, Colector rings:4%, wedge:14, Other:1%. Trong đó hư hỏng chiếm tỷ trọng cao nhất là Bearing:58% Hình 4 1.3. Hư hỏng về điện 1.3.1. Hư hỏng về cuộn dây n f = f {k ± (1 − s)} (1.1) sc 1 p p: Số cực, s:Hệ số trượt, k:1,2,3 , f1: Tần số lưới điện, fsc: Tần số hư (Short-current), n: 1,2,3 - Bị đứt, chạm, chập, đoản mạch giữa các vòng dây phần cảm, phần ứng. Nguyên nhân là do điều kiện làm việc lâu dài, vật liệu cách điện và môi trường làm việc có nhiều yếu tố không thuận lợi như nước, bụi, tương tác giữa các chất cách điện, làm cho lớp cách điện bị hư hỏng và gây ra chập mạch. Trong MPĐ luôn có lực điện từ biến thiên mạnh, tác động lên mỗi vòng dây cũng như các kết cấu cơ điện, sinh ra sự co kéo, rung động, nén ép giữa các chi tiết, vòng dây, là nguyên nhân gây ra nhiều lỗi về cơ và điện. Những lỗi về kết cấu cơ khí của MPĐ, nếu không nhanh chóng phát hiện và dừng hoạt động, có thể phát triển rất nhanh thành các sự cố ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của đoàn tàu. - Cổ góp bị hao mòn nghiêm trọng, các phiến cổ góp bị ám đen, phồng rộp, cháy khe cách điện, phát sinh đánh lửa nghiêm trọng, chảy có qui luật và không có qui luật
4. 1.4. Hư hỏng về cơ 1.4.1. Hư hỏng vòng bi Trong quá trình hoạt động, MPĐ có thể gặp các lỗi về cơ khí như hỏng vòng bi, bạc treo, hộp giảm tốc trục bị vỡ, dập, tróc, rỗ bánh răng, chảy dầu hộp giảm tốc, bánh răng chủ động truyền lực bị long hỏng, tuột vỡ các chi tiết quay của MPĐ. Các hư hỏng này sẽ gây ra sai lệch kết cấu cơ khí, dẫn đến MPĐ làm việc không bình thường và giảm hiệu suất MPĐ. Hình 5: Các hư hỏng về cơ của MPĐ Nguyên nhân lỗi vòng bi: Những nguyên nhân gây lỗi vòng bi:  Môi trường bụi bẩn  Chất bôi trơn  Nhiệt độ  Tháo lắp không đúng cách Hư hỏng bắt đầu từ một vết trầy nhỏ bên trong vòng bi, lâu ngày sẽ lan ra mặt trong (inner race) hoặc mặt ngoài (outer race) vòng bi tạo thành một lỗ nhỏ Công thức tính lỗi vòng bi như sau. fbearing = |f1 ± m. fi, o| (1.2) Với: m là số tự nhiên ±1, ±2, ±3, ±4, fi tần số inner race, fo tần số outer race Nb Db f = f (1 ± cos β) (1.3) i,o 2 r Dc Với Nb: Số viên bi của vòng bi fr: Tần số rotor đơn vị Hz Db: Đường kính viên bi Dc: khoảng cách giữa hai tâm viên bi β: Góc quay viên bi. Tuy nhiên nếu số viên bi từ 6 đến 12 thì công thức (1.3) xấp xỉ như sau: fo =0,4 Nbfr (1.4)
5. fi= 0,6 Nbfr (1.5) Cấu tạo vòng bi vòng bi được cho bởi hình 5. Hình 6: Cấu tạo vòng bi 1.5. Hư hỏng khe hở không khí (1 − s) f = {(n ± n ) ± n } f ( 1.6) ag rt d p ws 1 fag: Tần số hư (Air-gap), nrt:0,1,2,3 , nd: 0,1,2,3 , nws: 1,3,5, f1: Tần số lưới điện, R: Số thanh rotor 1.6. Mật độ phổ công suất ( PSD ). FFT của một tín hiệu là chuyển một tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. Cửa sổ lọc được sử dụng là Hanning 1 1 m−1 −j2πn wsi(f) = ∑ wsi(n)e n (1.7) M n=0 Với M là số mẫu thu thập Mật độ phổ công suất được tính từ FFT như sau: 1 PSD(f) = wsi(f) × wsi∗(f) (1.8) M 1.7. Công cụ tính PSD trên labview Hình 7: Khối tính PSD
6. 1.8. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm 1.8.1.Tổng thể mô hình thực nghiệm đã thi công: Hình 8: Mô hình thực nghiệm Hình 9: Mô hình chẩn đoán hư hỏng MPĐ Hình 10: Kết nối cảm biến với Card Arduino hỏng MPĐ
7. Hình 11: Đồng hồ đo tốc độ 1.9. Code LaBVIEW online Hình 12: Code LaBVIEW online
8. Hình 13: Giao diện làm việc LabVIEW 1.10. Code LaBVIEW offline Hình 14: Code LabVIEW offline 1.11. Kết quả các lỗi về vòng bi 1.11.1. Trường hợp hư hỏng bên trong vòng bi Tín hiệu dòng điện được thu thập qua cảm biến dòng ACS12A-30A có ngõ ra là điện áp(0 – 5V), ở 0 A tương ứng với 2,5V, cảm biến có độ nhạy 66mV/A cảm biến làm việc trên nguyên lý hiệu ứng HALL. Sau đó được đưa vào ngõ Analog (A0) của Card Arduino –Uno R3 card có nhiệm vụ chuyển tín hiệu từ Analog sang Digital với số mẫu: 10000, tốc độ thu thập: 910 Hz với độ phân giải 10bit. Dạng phổ của tín hiệu sau khi thu thập được hiển thị như Phổ của MPĐ hoạt động bình thường có phổ như hình hình 15. Khi MPĐ hoạt động bị lỗi Inner race có phổ như hình 18 Vậy để xác định được tần số hư của MPĐ ta cần biết được các thông số sau: - File dữ liệu MPĐ được thu thập khi máy phát điện hoạt động bình thường
9. - Đo được tốc độ của Rotor - Số viên bi trong ổ bi. Sau đó áp dụng công thức: fbearing=|f1 ∓ mfi| với m=1,2,3., fi= 0,6.Nb.fr (1.9) Sau đó liệt kê các tần số hư có thể xuất hiện như ở Bảng 2 kết hợp với Hình 18 xem phổ và kết luận lỗi dựa theo tần số hư: Hình 15: Phổ công suất của MPĐ ở trạng thái làm việc bình thường f=64 f=164 Hz Hz Hình 16: Lỗi Inner race MPĐ (64Hz-164Hz) Bảng 2: Thống kê tần số hư lỗi Inner race fBearing m Nb n fr fi LSB USB 1 8 1425 23,75 114 64 164 2 8 1425 23,75 114 178 278 3 8 1425 23,75 114 292 392 6.11.2. Trường hợp hư hỏng bên ngoài vòng bi Khi MPĐ hoạt động bình thường có phổ như hình 15. Khi MPĐ hoạt động bị lỗi Outer race có phổ như hình 18 fbearing=|f1 ∓ mfo| với m=1,2,3.,fo= 0,4.Nb.fr (1.9)
10. Sau đó liệt kê các tần số hư có thể xuất hiện như ở Bảng 2 kết hợp với Hình 18 xem phổ và kết luận lỗi dựa theo tần số hư: f=83 f=183H z Hình 17: Lỗi Outer race MPĐ (83Hz-183Hz) Bảng 3:Thống kê tần số hư lỗi Outer race fBearing m Nb n fr fo LSB USB 1 7 1425 23,75 66,5 16,5 116,5 2 7 1425 23,75 66,5 83 183 3 7 1425 23,75 66,5 149,5 249,5 1.11.2. Trường hợp hư hỏng bên trong, bên ngoài vòng bi: 164 64 83 183 Hình 18: Lỗi Outer race, Inner race MPĐ (64Hz- 164)(83Hz-183Hz) Bảng 4: Thống kê tần số hư lỗi Outer race, Inner race Outer Inner m LSB USB LSB USB 1 16,5 116,5 64 164 2 83 183 178 278 3 149,5 249,5 292 392
11. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Văn Nghĩa, 2012“ Ứng dụng mạng Nơ ron trong chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ kéo của đầu máy” [2] Đinh Thành Việt, Trần Hoàng Khứ, Nguyễn Văn Lê, (2005), Hệ chuyên gia chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp lực, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 53, trang 50-54. [3] Lê Hoài Đức đã nghiên cứu các dấu hiệu hư hỏng đặc trưng của động cơ Diezel và ứng dụng tập mờ trong kết luận lỗi . [4] Đinh Thành Việt, Nguyễn Văn Lê, (2012), Xây dựng hệ chuyên gia trọng số chẩn đoán sự cố tiềm ẩn trong MBA lực, Tạp chí khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 3[52], trang 55-61. Tiếng Anh: [5] Research on Rolling Bearing Fault Diagnosis with Adaptive Frequency Selection based on LabVIEW Hongxin Zhang, Hao Zhou, Xianjiang Shi, Ju huang, Jixiang Sun and Lei Huang School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science & Technology, Heilongjiang, China [6] Department of Mechanical and Manufacturing Engineering Schulich School of Engineering University of Calgary Calgary, AB, Canada, June 11-13, 2014 [7] Yassine Amirat, Vincent Choqueuse, Mohamed Benbouzid. Wind Turbine Bearing Failure Detection Using Generator Stator Current Homopolar Component Ensemble Empirical Mode Decomposition. IEEE. IEEE IECON, Oct 2012, Montreal, Canada. pp.3937-3942. [8] Hoshiar Hassan “Detection of the stator winding fault in three phase induction motor using Fuzzy Logic” 2012 [9] Vijay Prakash Pandey and Prashant Kumar Choudhary “Induction Motor Condition Monitoring Using Fuzzy Logic”, Advance in Electronic and Electric Engineering.ISSN 2231-1297, Volume 3, Number 6 (2013), pp. 755-764 [10] Rudra Narayan Dash “Fault Diagnosis in Induction Motor Using Soft Computing Techniques”, Department Of Electrical Engineering National Institute Of Technology, Rourkela- 769008 India [11] Kalpana Bhardwaj and Alok Agarawal “Fault Diagnosis of Three Phase Induction Motor using Fuzzy Logic Controller and Sequence Analyzer ”, MIT International Journal of Electrical and Instrumentation Engineering, Vol. 2, No. 2, Aug. 2012, pp. (112-118) ISSN2230- 7656(c) MIT Publications [12] K.Mohanraj, Sridhar Makkapati and S.Paramasivam, Ph.D “Unbalanced and Double Line to Ground Fault Detection of Three Phase VSI Fed Induction Motor Drive using Fuzzy Logic Approach “,International Journal of Computer Applications (0975 – 888) Volume 47– No.15, June 2012 [13] Jover Rodríguez, P., Arkkio, A., 2008, “ Detection of Stator Winding Fault in InductionMotor Using Fuzzy Logic “, Applied Soft Computing, Vol. 8, No. 2, pp. 1112-1120. [14] A. Che Soh, M.Sc. and R.Z. Abdul Rahman, M.Eng. “Fault Detection and Diagnosis for DC Motor in Robot Movement System using Neural Network”, The Pacific Journal of Science and Technology Volume 10. Number 1. May 2009 (Spring).
12. [15] G. Didier, E. Ternisien, O. Caspary, and H. Razik ‘Fault Detection of Broken Rotor Bars in Induction Motor using a Global 133Fault Index”, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 42 Issue:1, 2006 [16] William T. Thomson and Ronald Gilmore “Motor current signature analysis to detect faults in Induction motor drivers -fundamentals, data interpretation, and industrial case histories” proceedings of the Thirty-second turbomachinery symposium –2003 [17] William R. Finley Mark M. Hodowanec Warren G. Holter “An Analytical Approach to Solving Motor Vibration Problems”, IEEE/PCIC Conference Record, 1999. [18] Mohamed Hachemi Benbouzid, Michelle Vieira, and C´eline Theys “Induction Motors’ Faults Detection and Localization Using Stator Current Advanced Signal Processing Techniques”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 14, No., January 1999. Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Nguyễn Minh Hoàng Đơn vị: Trường Trung cấp nghề Kon Tum Điện thoại:0919.333.660 Email:Hoangkdth@gmail.com
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.