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

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 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 preventive maintenance động cơ điện Xuất phát từ thực tế đó luận văn này thực hiện hai vấn đề i 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 ii 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

TẠ THÀNH VIỆT PHƯƠNG

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DÕNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Quảng Ngãi – Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TẠ THÀNH VIỆT PHƯƠNG

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DÕNG ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ QUỐC HUY

Quảng Ngãi - Năm 2018

Tác giả

Tạ Thành Việt Phương

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CUỘN DÂY STATOR ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY

CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN

HIỆU DÕNG ĐIỆN

Học viên: Tạ Thành Việt Phương Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển-tự động hóa

Khóa: K34.TĐH.QNg Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt: 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 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 (preventive maintenance) động cơ điện

Xuất phát từ thực tế đó, luận văn này thực hiện hai vấn đề: (i) 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, (ii) 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

Từ khóa – MCSA, chẩn đoán sự cố ngắn mạch cuộn dây stator, bảo dưỡng phòng ngừa

STATOR WINDING FAULT DIAGNOSTIC OF 3-PHASE AC INDUCTION

MOTOR BY MOTOR CURRENT SIGNATURE ANALYSIS

Student: Ta Thanh Viet Phuong Specialization: Control and Automation Engineering Course: 34 Da Nang University of Technology – DUT

Abstract: Electric motors are widely used in industry in many different fields, including many

types, sizes and different power levels for different purposes In manufacturing plants, electric

motors account for 40-50% of the total electricity consumption in industrialized countries

Therefore, the early diagnosis of electric motors failure is an essential and important requirement

contributing to strengthening and ensuring operational reliability for equipment and factories,

especially ones in which electric motors make up most drive systems The MCSA (Motor Current

Signature Analysis) method can diagnose online, without stopping the motor, neither interference

and direct impact on the engine This method can also early diagnose (predict) incidents for

preventive maintenance of electric motors

Based on that fact, this thesis works on two issues: (i) building an algorithm for diagnosing

stator winding short-circuit fault (of the turn-to-turn type) using motor stator current spectrum

analysis, (ii) applying and and test the proposed diagnostic algorithms to accurately and quickly

diagnose stator short-circuit fault to increase device reliability and reduce downtime

Key words – MCSA, stator fault diagnostic, preventive maintenance

DANH MỤC CÁC HÌNH

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – TỔNG QUAN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHẨN ĐOÁN LỖI CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 11

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ 11 1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất 11

1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ 21

1.2 Các phương pháp chẩn đoán lỗi của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ 24 1.2.1 Giới thiệu chung 24

1.2.2 Phân loại và nguyên lý của các phương pháp chẩn đoán lỗi động cơ 26

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI ĐỘNG CƠ BẰNG PHÂN TÍCH DÕNG ĐIỆN STATOR 28

2.1 Giới thiệu chung 28

2.2 Phân tích ảnh hưởng của các lỗi lên phổ dòng điện stator 32

2.2.1 Độ lệch tâm khe hở không khí 32

2.2.2 Hư hỏng thanh dẫn rotor 33

2.2.3 Hư hỏng ổ bi 33

2.2.4 Ảnh hưởng của tải 35

2.3 Phân tích phổ dòng điện stator để phát hiện các lỗi liên quan cuộn dây stator 36

2.3.1 Các công cụ phân tích hữu ích để chẩn đoán lỗi cuộn dây 37

2.3.2 Chẩn đoán lỗi ngắn mạch vòng dây sử dụng thành phần thứ tự nghịch của dòng điện stator ở trạng thái xác lập 38

2.3.3 Phân tích ngắn mạch vòng dây của cuộn dây stator ở trạng thái xác lập dựa trên phân tích chuỗi Fourier nhanh (FFT) 41

2.3.4 Đánh giá dựa trên khai triển nhanh chuỗi Fourier 43

2.4 Giới thiệu về máy MCE-EMAX đang sử dụng tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất, một

số ví dụ và kết quả sử dụng máy để phát hiện lỗi động cơ 44

2.4.1 Giới thiệu về máy MCE-MAX 44

2.4.2 Một số ví dụ về kết quả sử dụng máy MCE-MAX để phát hiện lỗi động cơ tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất 49

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 DÕNG ĐIỆN 57

3.1 Tổng quan về phương pháp phân tích lỗi cuộn dây stator động cơ bằng phân tích dòng điện stator 57

3.1.1 Giới thiệu chung 57

3.1.2 Đạo hàm của thành phần dòng điện ở tần số f(1-2s) 57

3.1.3 Suy ra thành phần dòng điện ở tần số f(1+2s) 58

3.1.4 Phân tích phổ dòng điện cuộn dây stator 59

3.1.5 Đo lường dòng điện và kỹ thuật phân tích phổ dòng điện trong công nghiệp61 3.1.6 Thang đo dB cho MCSA và đặc điểm kỹ thuật của phân tích phổ dòng điện63 3.2 Phân tích lỗi cuộn dây stator động cơ bằng phương pháp phân tích phổ tần số của dòng điện stator 64

3.2.1 Mô hình thu thập dữ liệu 64

3.2.2 Phương pháp chẩn đoán và giám sát ngắn mạch cuộn dây 65

3.2.3 Tái tạo tín hiệu 66

3.2.4 Phương trình và kết quả dự đoán phân tích phổ dòng điện MCSA 66

3.2.5 Áp dụng FFT để phân tích phổ dòng điện cho các động cơ ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất 68

3.3 Phân tích lỗi cuộn dây stator động cơ theo Phép biến đổi Park 97

3.3.1 Phép biến đổi Park 97

3.3.2 Áp dụng phép biến đổi Park để phân tích lỗi một số động cơ ở nhà máy Lọc dầu Dung Quất 100

3.3.3 Bảng thống kê phân tích lỗi động cơ 107

3.4 Phân tích và tổng hợp kết quả phân tích phổ dòng điện stator của động cơ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

DFT : Khai triển chuỗi Fourier rời rạc HTĐ : Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.4: Bảng thống kê hư hỏng cuộn dây và vòng bi động cơ 15

Bảng 1.5: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tuổi thọ cách điện 16

Bảng 1.6: Thống kê về lỗi/hỏng của động cơ điện [2] 24

Bảng 1.7 Khả năng xảy ra lỗi trên động cơ không đồng bộ [2] 25

Bảng 2.1: Bảng thông số của động cơ dùng cho thực nghiệm 39

Bảng 3.1 Thông số động cơ EM-1112E 71

Bảng 3.2 Thông số đo thực nghiệm bằng Máy MCEmax 71

Bảng 3.3 Tần số ứng với lỗi ngắn mạch vòng dây stator EM-1112E 72

Bảng 3.7: Thông số động cơ A-4002D-PM-07B 76

Bảng 3.8: Thông số đo thực nghiệm bằng máy MCEmax 76

Bảng 3.9: Tần số ứng với lỗi ngắn mạch động cơ A-4002D-PM-07B 77

Hình 3.11: Phổ dòng điện pha a động cơ A-4002D-PM-07B 78

Bảng 3.10 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha a của động cơ A-4002D-PM-07B 78

Hình 3.12: Phổ dòng điện pha b động cơ A-4002D-PM-07B 79

Bảng 3.11 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha b của động cơ A-4002D-PM-07B 79

Hình 3.13: Phổ dòng điện pha c động cơ A-4002D-PM-07B 80

Bảng 3.12 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha c của động cơ A-4002D-PM-07B 80

Bảng 3.13 : Thông số động cơ A-5203A-BM-01 81

Bảng 3.14 : Thông số đo thử nghiệm động cơ A-5203A-BM-01 bằng máy MCE-MAX81 Bảng 3.15 : Tần số ứng với lỗi ngắn mạch vòng dây stator động cơ A-5203A-BM-0182 Bảng 3.16 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha c của động cơ A-5203A-BM-01 83

Bảng 3.17 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha b của động cơ A-5203A-BM-01 84

Bảng 3.18 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha c của động cơ A-5203A-BM-01 85

Bảng 3.19: Thông số của động cơ X-1301-EM-07A 86

Bảng 3.20: Thông số đo thử nghiệm động cơ bằng máy MCE-MAX của động cơ X-1301-EM-07A 86

Bảng 3.21: Tần số ứng với lỗi ngắn mạch vòng dây stator động cơ X-1301-EM-07A 87 Bảng 3.22 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha a của động cơ X-1301-EM-07A 88

Bảng 3.23 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha b của động cơ X-1301-EM-07A 89

Bảng 3.29 : Biên độ ứng với tần số lỗi pha c của động cơ PM-2101B 95 Bảng 3.30: Bảng thống kê phân tích lỗi động cơ thực nghiệm ở Nhà máy Lọc dầu Dung Quất 107

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Phân bố động cơ theo khu vực trong Nhà máy 11

Hình 1.2: Biểu đồ chỉ số MTBF của động cơ (năm) 13

Hình 1.3: Tỷ lệ hỏng hóc của các bộ phận động cơ điện 13

Hình 1.4: Phân tích lỗi động cơ theo Paretto 14

Hình 1.5: Thống kê của IEEE và EPRI về tỉ lệ nguyên nhân lỗi động cơ 15

Hình 1.6: Nhiệt độ chịu đựng của các cấp cách điện [3] 16

Hình 1.7: Đặc tính quan hệ giữa nhiệt độ và tuổi thọ cách điện 17

Hình 1.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ với cuộn dây 17

Hình 1.9: Ảnh hưởng của tác nhân điện 18

Hình 1.10: Cọ xát giữa stator và rotor 18

Hình 1.11: Cách điện bị lão hóa do điều kiện vận hành quá tải, nhiệt độ cao (PM-2101B) 19

Hình 1.12: Nước vào cuộn dây C-1202A-PM-01 19

Hình 1.13: Mỡ thừa vào cuộn dây PM-1112A 20

Hình 1.14: Vật liệu niêm chèn bị hỏng PM-1112A 20

Hình 1.15: Cấu tạo của động cơ 3 pha không đồng bộ [2, p 32] 21

(Drive shaft: trục động cơ; stator windings: cuộn dây stator; Cooling fan: quạt làm mát; Terminal box: hộp đấu dây) 21

Hình 1.16: Mạch từ stator và rotor của động cơ không đồng bộ [2, p 32] 22

(stator slot: rảnh stator; stator lamination: lõi thép; shaft: trục; air gap: khe hở không khí; rotor lamination: lõi thép rotor; rotor slot: rãnh rotor) 22

Hình 1.17: Rotor dây quấn [Internet] 23

Hình 1.18: Rotor lồng sóc [Internet] 23

Hình 1.19: Phân loại các lỗi của động cơ không đồng bộ [1]Error! Bookmark not defined Hình 2.1: Sơ đồ khối phát hiện lỗi bằng phân tích tín hiệu dòng điện [4] 30

Hình 2.2 : Bốn dạng lệch trục của ổ bi [5] 34

Hình 2.3 : Khoảng cách của ổ bi [5] 35

Hình 2.4 : Các kỹ thuật khác nhau dùng để chẩn đoán lỗi của cuộn dây stator [2] 37

Hình 2.5: Động cơ dùng cho thực nghiệm [2] 39

Hình 2.10 : Dòng điện stator khi động cơ có tải [2] 42

Hình 2.11 : Phân tích nhanh chuỗi Fourier dòng điện ở trạng thái xác lập khi chạy 43

Hình 3.1 Từ trường quay thuận và ngược chiều khi xảy ra hư hỏng thanh rotor [7] 58 Hình 3.2 Minh họa các tần số dải biên ±2sf quanh tần số cơ bản [7, p 114] 59

Hình 3.3 : Một "minh họa lý tưởng" của dạng sóng dòng điện trên miền thời gian, do biên độ điều chế gây ra bởi dải biên ± 2sf xung quanh tần số cung cấp được tạo ra bởi thanh rotor bị hỏng [7] 60

Hình 3.4: Biên độ dB N chênh lệch giữa thành phần tần số cơ bản và tần số dải biên [7] 61

Hình 3.5: Thiết bị đo lường dòng điện và phân tích phổ dòng điện của động cơ điện [7]62 Hình 3.6: MCSA gắn trên ampe kẹp ở phía thứ cấp của CT, hiển thị dòng điện của động cơ [7] 62

Hình 3.7 : Phổ dòng điện của 1 động cơ thử nghiệm [7, p 121] 64

Hình 3.8: Phổ dòng điện stator pha a động cơ EM-1112E 73

Hình 3.9: Phổ dòng điện pha b động cơ EM-1112E 74

Hình 3.10: Phổ dòng điện pha c động cơ EM-1112E 75

Hình 3.14: Phổ dòng điện pha a của động cơ A-5203A-BM-01 83

Hình 3.15: Phổ dòng điện pha b của động cơ A-5203A-BM-01 84

Hình 3.16: Phổ dòng điện pha c của động cơ A-5203A-BM-01 85

Hình 3.17: Phổ dòng điện pha a của động cơ X-1301-EM-07A 88

Hình 3.18: Phổ dòng điện pha b của động cơ X-1301-EM-07A 89

Hình 3.19: Phổ dòng điện pha c của động cơ X-1301-EM-07A 90

Hình 3.20: Dạng sóng dòng điện 3 pha Ia/Ib/Ic động cơ PM-2101B theo thời gian 93

Hình 3.21: Phổ dòng điện pha a của động cơ PM-2101B 93

Hình 3.22: Phổ dòng điện pha b của động cơ PM-2101B 94

Hình 3.23: Phổ dòng điện pha c của động cơ PM-2101B 95

Hình 3.24: Sơ đồ khối của Phép biến đổi Park sử đụng để phân tích phổ dòng điện

động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 97

Hình 3.25a: Hình dạng biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường 98

Hình 3.25b: Hình dạng biểu diễn (id,iq) méo mó của động cơ bị lỗi 99

Hình 3.26: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường 100

Hình 3.27: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bị lỗi 101

Hình 3.28: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường và động cơ bị lỗi 101

Hình 3.29: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường 102

Hình 3.30: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ có khả năng bị lỗi 102

Hình 3.31: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường 103

Hình 3.32: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường 104

Hình 3.33: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bị lỗi nghiêm trọng 104

Hình 3.34: Hình biểu diễn (id,iq) của động cơ bình thường và động cơ bị lỗi nghiêm trọng 105

Hình 3.35: Hình biểu diễn (id,iq) của tất cả các động cơ bình thường, động cơ có khả năng bị lỗi và động cơ bị lỗi nghiêm trọng 106

Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn chân thành nhất của tôi đến các quí thầy cô và đặc biệt là thầy : Tiến sĩ Lê Quốc Huy đã tận tình, chu đáo, dành thời gian và tâm huyết hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng đề thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, khả năng và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự nhận xét, đánh giá và góp ý quý báu của quý thầy cô

Chân thành cảm ơn!

Quảng Ngãi ngày 04 tháng 12 năm 2018

Tạ Thành Việt Phương

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Theo khảo sát của viện nghiên cứu EPRI (Electric Power Research) 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 DÕNG ĐIỆN” để

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 TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận văn tập trung nghiên cứu 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

Để giải quyết vấn đề này, luận văn sẽ được trình bày thành bốn chương sau:

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ

Chương này sẽ đưa ra các kiến thức cơ bản về động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ Trình bày các kiến thức cơ bản về ngắn mạch trong động cơ điện

1.1 Giới thiệu tổng quan về động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ bao gồm phần tĩnh (stator), được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại thành hình trụ vành khăn Các lá thép tạo thành stator, được dập các rảnh phân bố đều theo vòng tròn trong của stator Trong các rảnh người ta lót cách điện trước khi lắp đặt các bộ dây quấn vào rãnh stator

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 rotor 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 của điện áp

1.2 Tổng quan về ngắn mạch trong động cơ điện

Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng chạm chập giữa các vòng dây trong cùng một cuộn dây hoặc giữa các pha với nhau trong cuộn dây stator động cơ điện Nguyên nhân phần lớn là do hỏng cách điện của cuộn dây stator và dây quấn, cách điện cuộn dây của động cơ điện bị hỏng gây ra chạm mạch bối dây với vỏ hoặc giữa các bối dây pha với nhau, chạm chập vòng dây trong một bối dây Một số nguyên nhân có thể nói đến sau đây:

 Cách điện bị ẩm ướt

 Cuộn dây bị bụi bẩn, dầu mỡ hoặc bụi kim loại

 Va chạm cơ học làm xước cách điện bối dây

 Trong môi trường làm việc có hóa chất ăn mòn cách điện như : Axit, kiềm

 Động cơ điện bị quá tải lâu dài làm cho cách điện bị dòn

 Lão hóa lớp cách điện

 …

Khi cuộn dây của động cơ điện 3 pha bị ngắn mạch, dưới tác động của dòng điện ngắn mạch rất lớn, nhanh chóng động cơ điện 3 pha sẽ bốc khói Sự phát nóng cục bộ

sẽ làm cho một trong số các cuộn dây sẽ bị cháy

Trường hợp cuộn dây có nhiều vòng thì khi số vòng dây bị chập mạch ít thì động

cơ có thể quay thêm một thời gian ngắn nữa Ngay lúc này thì động cơ điện có tiếng ù rất lớn, dòng điện 3 pha không cân bằng, tốc độ quay giảm, có hiện tượng nóng cục

cố của máy phát thuỷ điện có nguyên nhân từ cách điện cuộn dây stator

(nguồn: http://motionelectric.com) Việc đánh giá tình trạng của cách điện cuộn dây stator cũng như phát hiện các lỗi của cuộn dây ở giai đoạn sớm đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc bảo trì, kéo dài tuổi thọ của động cơ, máy phát, giảm thiểu các sự cố nghiêm trọng xảy ra Nắm bắt được những nguyên nhân cơ bản và dấu hiệu của quá trình suy giảm cách điện cuộn dây sẽ góp phần nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện lỗi, đánh giá được mức độ nghiêm trọng của lỗi và nâng cao độ chính xác khi lên kế hoạch bảo trì

Trong quá trình hoạt động bình thường, cuộn dây stator của những động cơ lớn hoặc máy phát luôn phải chịu những tác động từ những yếu tố bên trong (nhiệt, lực điện từ…) và những yếu tố bên ngoài (bụi bẩn, độ ẩm, nhiệt độ môi trường…) Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến xuống cấp, hư hỏng cách điện, trong đó có một số nguyên nhân chính sau:

Xuống cấp cách điện do nhiệt độ: Nhiệt độ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến quá trình xuống cấp cách điện, nếu như nhiệt độ hoạt động của cuộn dây tăng 10 độ C, tuổi thọ của cách điện sẽ giảm đi một nửa (theo IEEE 43-2013) Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ cuộn dây bao gồm cả yếu tố bên ngoài lẫn yếu tố bên trong như: Quá tải, mất cân bằng điện áp, sóng hài cao, bụi bẩn, hệ thống làm mát không đủ… Quá trình xuống cấp cách điện do nhiệt độ sẽ kèm theo sự tăng lên của điện dung cách điện, độ tổn hao điện môi và phóng điện cục bộ theo thời gian

Thay đổi tải: Quá trình thay đổi tải thường xuyên và đột ngột cũng góp phần làm hư hỏng cách điện của cuộn dây Trong một số stator loại lớn (dài hơn 2m), sự thay đổi đột ngột dòng điện sẽ dẫn đến thay đổi nhiệt độ của cuộn dây một cách nhanh chóng Quá trình giãn nở theo chiều dài không đều của dây dẫn và cách điện sẽ tạo ra các lực tác động lớn tại vị trí hai đầu cuối cuộn dây, dần dần, quá trình này dẫn đến hư hỏng cách điện, kèm theo đó là hiện tượng phóng điện cục bộ

Tẩm cách điện không tốt: Với các cuộn dây trung thế, tẩm sấy là một công đoạn rất quan trọng, mục đích của công đoạn này là loại bỏ hoàn toàn các lỗ khí trong cách điện, đồng thời tăng độ dẫn nhiệt và hạn chế sự dịch chuyển cuộn dây trong quá trình hoạt động Nếu như quá trình tẩm sấy không tốt, nhiệt độ cuộn dây trong lúc hoạt động

có thể tăng cao, làm cách điện xuống cấp do nhiệt; hoặc dịch chuyển cuộn dây có thể xảy ra, dẫn đến mòn cách điện Tuy nhiên vấn đề chính của quá trình tẩm cách điện không tốt là hiện tượng phóng điện cục bộ với sự xuất hiện các lỗ khí bên trong cách điện

Lỏng cuộn dây trong khe từ (lỏng nêm): Cuộn dây động cơ, máy phát lúc hoạt động chịu một lực từ rất lớn, lực từ này có tần số gấp 2 lần tần số dòng điện và có độ lớn tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện Nếu cuộn dây hay thanh dẫn được giữ chặt, dù hoạt động ở điều kiện đầy tải, lực từ này chỉ gây tác dụng nhỏ lên cuộn dây Tuy nhiên, nếu tình trạng ngược lại xảy ra, cuộn dây không được giữ chặt, chúng sẽ bắt đầu rung động, cách điện cuộn dây bắt đầu có sự di chuyển tương đối với lõi stator, lớp cách điện dần dần bị mòn do ma sát Nếu như 30% độ dày lớp cách điện bị mòn,

sự cố ngắn mạch sẽ xảy ra Ngoài ra, quá trình này cũng kèm theo hiện tượng phóng điện cục bộ Nếu như không được phát hiện sớm, cuộn dây sẽ nhanh chóng bị phá huỷ trong vòng vài tháng đến vài năm

Hư hỏng lớp bán dẫn: Với các cuộn dây trung thế, phần dây dẫn được đặt trong khe từ sẽ được sơn hoặc quấn 1 lớp bán dẫn mỏng ở mặt ngoài lớp cách điện Lớp bán dẫn này có tác dụng tránh tình trạng lỗ khí được tạo ra bởi mặt ngoài của cách điện và phần tiếp địa của động cơ, máy phát (lúc này lớp bán dẫn chính là phần tiếp địa) Quá trình hoạt động do bị mòn do rung động, hoặc do quá trình sản xuất không tốt, lớp bán dẫn này sẽ dần dần bị hư hỏng, điện trở của lớp bán dẫn sẽ tăng lên, nghiêm trọng hơn làlớp bán dẫn này có thể bị mất đi Điều này đồng nghĩa với việc xuất hiện các lỗ khí giữa cách điện và phần tiếp địa (lõi stator), gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ

Hư hỏng lớp tản điện trường: Để hạn chế các hư hỏng do phóng điện cục bộ trong cuộn dây, lớp bán dẫn mặt ngoài cách điện sẽ được kết thúc cách rảnh từ vài cm

về phía vị trí cuối cuộn dây Tuy nhiên, với việc kết thúc lớp bán dẫn này, điện trường cao sẽ tập trung tại vị trí kết thúc bán dẫn Để khắc phục điều này, vị trí này sẽ được phủ thêm một lớp bán dẫn có tính chất thay đổi điện trở theo điện trường (điện trở thấp khi điện trường cao và điện trở cao khi điện trường thấp) Nhờ vậy hiện tượng phóng điện cục bộ do điện trường tập trung sẽ không xảy ra Một số trường hợp trong quá trình sản xuất, vị trí chồng lên nhau của lớp tản điện trường và lớp bán dẫn không đủ tiêu chuẩn, hoặc lớp bán dẫn không đảm bảo tính chất vật lý cần thiết, theo thời gian, lớp tản điện trường này sẽ mất dần vai trò của mình, hiện tượng phóng điện cục bộ sẽ xảy ra

Xung điện áp: Một động cơ, máy phát khi hoạt động sẽ chịu ảnh hưởng bởi các xung có điện áp cao từ bên ngoài, như sét lan truyền, ngắn mạch từ hệ thống, máy cắt

tấn công hoá học, hình thành đường dẫn điện thế Các quá trình này sẽ dần dần làm xuống cấp cách điện, đặc biệt là hiện tượng hình thành đường dẫn (vết chân chim, cây điện thế), gây ra phóng điện cục bộ và phá huỷ nhanh chóng bề mặt cách điện cuộn dây

Tấn công hoá học: Động cơ, máy phát hoạt động trong môi trường có axit, dầu, các chất dung môi hoặc các chất hoá học khác sẽ có nguy cơ bị các yếu tố này xâm nhập Một khi cách điện bị tấn công bởi các chất hoá học, điện trở cách điện sẽ giảm xuống, đồng thời, các liên kết hoá học trong cách điện sẽ bị bẻ gãy, cách điện sẽ mềm

đi và dần dần xuống cấp

Khoảng cách giữa các pha ở vị trí cuối cuộn dây (end-winding): Trong những stator lớn, tại vị trí cuối cuộn dây, khoảng cách của các cuộn dây kế tiếp nhau phải đủ lớn để đảm bảo nhiệt độ tản nhiệt Ngoài ra, một điều quan trọng là tại những vị trí này, bề mặt ngoài cách điện không được phủ lớp bán dẫn, nếu khoảng cách giữa các cuộn dây nhỏ và hiệu điện thế giữa 2 cuộn dây lớn, hiện tượng cục bộ sẽ xảy ra, dần dần làm hỏng cách điện

Rung động cuối cuộn dây: Cũng giống như lỏng cuộn dây trong khe từ, nếu đầu cuối cuộn dây không được giữ một cách chắc chắn, hiện tượng rung động bởi lực từ lớn sẽ xảy ra, các dây dẫn có nguy cơ cọ xát với các vật cố định nó, dần dần cách điện

sẽ bị mòn và dẫn đến ngắn mạch Nguyên nhân của quá trình này có thể là do thiết kế của nhà sản xuất, dòng khởi động quá lớn, cuộn dây duy trì nhiệt độ cao trong thời gian dài Ngoài ra, sự có mặt của dầu, mỡ bôi trơn (do rò rỉ) tại vị trí này cũng góp phần làm cho hiện tượng rung động này xảy ra

Rò rỉ hệ thống làm mát: Với những stator của máy phát lớn, hệ thống làm mát stator trực tiếp bằng nước được sử dụng Nếu trong quá trình chế tạo cuộn dây stator hoặc trong quá trình bảo trì, lớp Teflon không được dán một cách chính xác, hiện tượng rò rỉ nước sẽ xảy ra Sự hiện diện của nước sẽ làm tăng dòng rò, và nhanh chóng làm xuống cấp cách điện

Kết nối: Kết nối không tốt cũng là một vấn đề hết sức quan trọng của cuộn dây stator Sự xuất hiện của các kết nối không tốt sẽ làm cho nhiệt độ tại vị trí đó tăng cao, cách điện sẽ nhanh chóng bị xuống cấp, cuối cùng dẫn đến ngắn mạch Ngoài ra, lỗi kết nối này sẽ làm dòng điện mất cân bằng, nhiệt độ cuộn dây tăng cao, đồng thời giảm hiệu suất của động cơ, máy phát

Phân loại các lỗi liên quan đến động cơ không đồng bộ 3 pha [1]

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 3: Xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện

Dựa trên kết quả phân tích về các phương pháp chẩn đoán sự cố stator của động

cơ ở chương 2, trong chương này sẽ đề xuất và xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện Đây là chương trọng tâm của luận văn, từ những cơ sở lý thuyết và phân tích các kết quả của các nghiên cứu trước trong chương trước, tác giả tiến hành lựa chọn nguyên lý và tiên hành xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện

Stator

Faults

Rotor Faults

Eccentricity Faults

Bearing Faults

Load Faults

Broken Bar & Broken End-Ring Faults Winding &

External Faults

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a 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

b Phương pháp thực nghiệm

Thuật toán 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)

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

a Ý nghĩa khoa học: ứng dụng phương pháp phân tích phổ dòng điện

stator của động cơ để chẩn đoán online sớm sự cố ngắn mạch các vòng dây của stator của động cơ điện 3 pha không đồng bộ

b Ý nghĩa thực tiễn:

Mục đích nghiên cứu “Xây dựng thuật toán chẩn đoán sự cố ngắn mạch

cuộn dây của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện” nhằm giải quyết vấn đề đưa ra các dự báo kịp thời về tình trạng

của động cơ điện nói chung và cuộn dây stator nói riêng, nhằm giúp cho người bảo dưỡng lên kế hoạch để xử lý triệt để khả năng có thể gây nên sự cố ngắn mạch cuộn dây stator của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Việc ứng dụng đề tài có thể đưa vào thực tiễn ở nhà máy Lọc dầu Dung Quất với việc chẩn đoán sớm và đưa ra các dự báo kịp thời về sự cố ngắn mạch cuôn dây của động cơ điện cho gần hơn 2000 động cơ điện các loại

Theo khảo sát của Viện Nghiên Cứu Năng Lượng Điện (EPRI), những sự cố xảy ra trong động cơ liên quan đến các vấn đề cơ khí chiếm khoảng 41% Phần còn lại liên quan đến điện như stator (37%), rotor (10%), khe hở, v.v Hiện nay ở Việt Nam,

để nâng cao độ tin cậy cho các động cơ trong quy trình sản xuất đồng thời giảm thiểu các thiệt hại to lớn về kinh tế do các hư hỏng bất ngờ của động cơ gây ra nên nhiều công ty đã áp dụng chương trình bảo trì chẩn đoán, ngăn ngừa trong hoạt động bảo trì của mình Mặc dù đã có nhiều công ty lựa chọn công nghệ đánh giá và phân tích rung động để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng cho động cơ Tuy nhiên, vẫn tồn tại các

sự cố xảy ra đối với động cơ liên quan đến thành phần điện Một thách thức lớn đối với lãnh đạo công ty và ban bảo dưỡng phải đối mặt là làm sao kiểm soát toàn diện các nguyên nhân gây ra hư hỏng cho động cơ điện trong quá trình vận hành, sản xuất

 Kiểm chứng được hiệu quả của thuật toán chẩn đoán thông qua kết quả mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm

6 DỰ KIẾN CẤU TRÖC LUẬN VĂN

Nội dung luận văn gồm 03 chương, đi từ phần tổng quan về động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha, các lỗi thường gặp trong động cơ điện và các phương pháp chẩn đoán lỗi, sau đó là phần xây dựng thuật toán chẩn đoán lỗi ngắn mạch cuộn dây stator động cơ điện bằng phương pháp phân tích phổ dòng điện cũng như kiểm chứng thuật toán bằng kết quả mô phỏng và thực nghiệm

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 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Nhà máy lọc dầu Dung Quất (BSR) có hơn 1700 động cơ bao gồm động cơ trung thế sử dụng điện áp 6.6 KV và hạ thế sử dụng điện áp 0.4 KV làm nhiệm vụ dẫn động cho các thiết bị quan trọng như bơm, máy nén, quạt…phục vụ cho việc vận hành Nhà máy Việc đảm bảo độ tin cậy vận hành cho các động cơ có ý nghĩa quan trọng đối với công tác vận hành Nhà máy lọc dầu an toàn, ổn định và hiệu quả

Các động cơ trong Nhà máy đang được chăm sóc, bảo dưỡng theo chương trình bảo dưỡng ngăn ngừa (PM – Predictive Maintenance) từ các khuyến cáo của nhà sản xuất và từ kết quả của các chương trình tin cậy như RCM, tối ưu hóa PM

Để đảm bảo tăng cường thêm độ tin cậy cho động cơ và giảm thiểu các hư hỏng bất ngờ dẫn đến sự cố dừng cụm thiết bị, phân xưởng hoặc dừng cả Nhà máy, các nhân

sự BSR dưới sự hỗ trợ về mặt phương pháp của BSI đã tổ chức đánh giá, phân tích tình trạng thực tế của các động cơ để tìm ra các cơ hội cải tiến, các giải pháp thực tế cho vấn đề đã nêu

Nhà máy lọc dầu Dung Quất có 1777 động cơ với 1654 động cơ hạ thế và 119 động cơ trung thế Các động cơ được phân bố, lắp đặt tại 9 khu vực với số lượng cụ thể như sau:

Hình 1.1: Phân bố động cơ theo khu vực trong Nhà máy Các động cơ điện được sử dụng nhiều nhất tại các khu vực Utility và Offsite Trong các khu vực công nghệ thì khu vực A2 và PP chiếm số lượng động cơ vượt trội

so với các khu vực còn lại

158 161

MTBF 12.7 11.2 11.0 Chỉ số về tin cậy MTBF của động cơ trong Nhà máy đang khoảng 11.5, tỷ lệ hỏng hóc (1/MTBF) là 0.086 trên 1 năm hoặc 9.81 trên 1 triệu giờ (106

giờ)

Theo Bảng 1.2 thì tỷ lệ hỏng hóc của động cơ xoay chiều (AC motor) nằm trong khoảng từ 1 đến 20 lần hư hỏng trên 1 triệu giờ và tập trung chủ yếu ở 5 lần hư hỏng trên một triệu giờ So với các con số thống kê đã nêu, tỷ lệ hỏng hóc động cơ tại Nhà máy tuy nằm trong giới hạn nhưng vẫn cao hơn so với con số tập trung

Bảng 1.2: Bảng so sánh tỷ lệ hỏng hóc động cơ của BSR so với thống kê

AC motor Low Focus High

9.81

Thêm vào đó, theo thống kê MTBF của động cơ đang có xu hướng giảm dần từ

2015 đến 2017:

Hình 1.2: Biểu đồ chỉ số MTBF của động cơ (năm)

 Theo thống kê thì hư hỏng xảy ra với các phần tử của động cơ điện tại BSR được ghi nhận như biểu đồ bên dưới:

Hình 1.3: Tỷ lệ hỏng hóc của các bộ phận động cơ điện

(Bearing: ổ bi; Stator winding: cuộn dây stator; Control circuit: mạch điều khiển; Protection relay: rơ-le bảo vệ; Communication: truyền thông; Power circuit: mạch động lực; LCS: tủ điều khiển; Fan/cooling: quạt và làm mát; Shaft: trục; Others: các

lỗi khác)

Hình 1.4: Phân tích lỗi động cơ theo Paretto (Bearing: ổ bi; Stator winding: cuộn dây stator; Control circuit: mạch điều khiển; Protection relay: rơ-le bảo vệ; Communication: truyền thông; Power circuit: mạch động lực; LCS: tủ điều khiển; Fan/cooling: quạt và làm mát; Shaft: trục; Others: các

lỗi khác)

Trong đó, lỗi chủ yếu của động cơ tập trung vào các hư hỏng liên quan đến ổ bi (50%)

và cuộn dây stator (11%), các lỗi hư hỏng còn lại không đáng kể và không ảnh hưởng nhiều đến vận hành của thiết bị cũng như vận hành của phân xưởng, Nhà máy

Theo thống kê của các tổ chức quốc tế như IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) và EPRI (Electrical Power Research Institute) [2] thì các hỏng hóc về ổ bi và cuộn dây stator chiếm tỷ trọng lớn nhất

Bảng 1.3: Những lỗi thường xảy ra ở động cơ điện

Studied by Bearing fault

(%)

Stator fault (%)

Rotor fault (%)

Others (%)

Hình 1.5: Thống kê của IEEE và EPRI về tỉ lệ nguyên nhân lỗi động cơ

Như vậy có thể thấy tỷ lệ lỗi chủ yếu của động cơ tại Nhà máy Lọc dầu Dung Quất khá tương đồng với dữ liệu thống kê của IEEE và EPRI Tuy vậy, so với thống kê của IEEE và EPRI, lỗi về ổ bi động cơ của Nhà máy cao hơn còn lỗi về cuộn dây thì thấp hơn

Xét theo hậu quả cũng như khả năng phát hiện để xử lý, số lỗi liên quan đến hỏng

ổ bi và cuộn dây stator tại Nhà máy được ghi nhận trong 3 năm 2015-2017 như sau:

Bảng 1.4: Bảng thống kê hư hỏng cuộn dây và vòng bi động cơ

Stt Loại hỏng hóc Số lần Gây trip động cơ Lỗi đƣợc phát hiện

Các yếu tố gây hƣ hỏng cách điện cuộn dây:

Tuổi thọ động cơ điện phụ thuộc vào loại vật liệu cách điện chế tạo (Insulation class) và điều kiện vận hành

Hầu hết các động cơ trong Nhà máy được chế tạo theo chuẩn cách điện loại F (Insulation class F) và có tuổi thọ khoảng 15 năm đến 20 năm trong điều kiện vận

cao hơn nhiệt độ chịu đựng sẽ gây phá hỏng cách điện Nhiệt độ chịu đựng của cách điện loại F là 155 độ C (tính cả nhiệt độ môi trường và các điểm nóng cục bộ)

Hình 1.6: Nhiệt độ chịu đựng của các cấp cách điện [3]

- Sự tác động của nhiệt độ đến cách điện được mô tả như sau: “Nhiệt độ là sát thủ số 1 của cách điện, khi nhiệt độ tăng lên 10 độ C thì tuổi cách điện suy giảm một nửa‖ Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tuổi thọ của cách điện vòng

dây động cơ được mô tả như bên dưới:

Bảng 1.5: Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tuổi thọ cách điện Ambient in 0C Insulation life in hours

Hình 1.7: Đặc tính quan hệ giữa nhiệt độ và tuổi thọ cách điện

 Môi trường: Chủ yếu tác động bởi nước, hơi ẩm xâm nhập, mỡ thừa vào cuộn dây gây phóng điện cục bộ dẫn đến phá hỏng cách điện hoặc suy giảm tuổi thọ cách điện đáng kể Bên cạnh đó, do điều kiện vận hành liên tục, khắc nghiệt như nhiệt độ khu vực xung quanh cao, có hơi steam gây tăng nhiệt độ vận hành

Hình 1.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ với cuộn dây

 Điện: Ảnh hưởng chính đến tuổi thọ cách điện động cơ bao gồm xung quá điện

áp phát sinh trong hệ thống điện gây phá hỏng cách điện và sóng hài gây tăng

Hình 1.9: Ảnh hưởng của tác nhân điện

 Cơ học: Yếu tố cơ khí ảnh hưởng chủ yếu bởi rung động tạo ra va chạm các vòng dây, bao gồm rung động trong quá trình vận hành máy và quá trình khởi động máy (lực từ giữa các vòng dây tăng cao do dòng khởi động tăng cao)

Hình 1.10: Cọ xát giữa stator và rotor

Tình trạng hỏng hóc cuộn dây thực tế tại Nhà máy:

Dựa trên các yếu tố ảnh hưởng và kiểm tra thực tế cho các động cơ bị hỏng tại Nhà máy, đội đã tổng kết lại các nguyên nhân chính gây hư hỏng cách điện động cơ ở Nhà

máy như sau:

 Vận hành quá tải, nhiệt độ cao trong thời gian dài gây lão hóa và suy giảm tuổi thọ cách điện:

Hình 1.11: Cách điện bị lão hóa do điều kiện vận hành quá tải, nhiệt độ cao

(PM-2101B)

 Nước, hơi ẩm xâm nhập vào cuộn dây động cơ:

Hình 1.12: Nước vào cuộn dây C-1202A-PM-01

 Mỡ từ ổ bi xâm nhập vào cuộn dây:

Hình 1.13: Mỡ thừa vào cuộn dây PM-1112A

 Khuyết tật cách điện khi sản xuất:

Hình 1.14: Vật liệu niêm chèn bị hỏng PM-1112A

Đó là những nguyên nhân, yếu tố tác động có thể nhìn thấy được Ngoài ra còn chưa xem xét các nguyên nhân chưa thể xác định và tổng hợp nhiều yếu tố tác động

1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Một trong những động cơ điện thông dụng nhất là động cơ không đồng bộ Nó được phát minh bởi nhà khoa học vĩ đại Nikolas Tesla (1856-1943) và vẫn được ứng dụng rộng rãi ở thời nay Ước tính 50% lượng tiêu thụ điện năng toàn cầu là do động

cơ không đồng bộ 90% lượng động cơ trong công nghiệp là động cơ không đồng bộ Chúng ta gọi động cơ này là động cơ không đồng bộ vì nó chạy chậm hơn tốc độ đồng

Cấu tạo

Hình 1.15: Cấu tạo của động cơ 3 pha không đồng bộ [2, p 32]

(Drive shaft: trục động cơ; stator windings: cuộn dây stator; Cooling fan: quạt làm

mát; Terminal box: hộp đấu dây)

Hình 1.16: Mạch từ stator và rotor của động cơ không đồng bộ [2, p 32]

(stator slot: rảnh stator; stator lamination: lõi thép; shaft: trục; air gap: khe hở không

khí; rotor lamination: lõi thép rotor; rotor slot: rãnh rotor)

+ Roto dây quấn: quấn giống stato

+ Roto lồng sóc: trong mỗi rãnh đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm dài ra khỏi lõi thép và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch

Hình 1.17: Rotor dây quấn [Internet]

Hình 1.18: Rotor lồng sóc [Internet]

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

1.2 Các phương pháp chẩn đoán lỗi của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

1.2.1 Giới thiệu chung

Động cơ không đồng bộ với nhiều ưu điểm như giá thành thấp, chi phí bảo dưỡng không cao, kích cỡ vừa phải với hiệu suất hoạt động cao và hoạt động với nhiều nguồn cung cấp điện áp nhau một cách dễ dàng Từ những nghiên cứu về lắp đặt và vận hành động cơ không đồng bộ 3 pha cho thấy những bộ phận hay bị lỗi là ổ bi, cuộn dây stator, thanh dẫn rotor và trục Bên cạnh đó khe hở không khí giữa bề mặt bên ngoài rotor và bề mặt bên trong stator không đông nhất cũng là một trong những nguyên nhân gây ra lỗi cho động cơ điện 3 pha không đồng bộ

Theo tiêu chuẩn IEEE 493-1997 các lỗi phổ biến nhất và thống kê của chúng sự xuất hiện được thể hiện trong Bảng 1.6

Bảng 1.6: Thống kê về lỗi/hỏng của động cơ điện [2]

Kiểu lỗi Số lượng lỗi

Động cơ không

đồng bộ

Động

cơ đồng

bộ

Động

cơ rotor dây quấn

Được sự tài trợ của Viện nghiên cứu Điện lực Mỹ (EPRI), một nghiên cứu do Công ty General Electric thực hiện trên cơ sở báo cáo của nhà sản xuất động cơ Theo

đó trong báo cáo của họ, các lỗi động cơ chính được trình bày trong Bảng 1.7

Bảng 1.7 Khả năng xảy ra lỗi trên động cơ không đồng bộ [2]

Nghiên

cứu bởi

Lỗi ổ bi (%)

Lỗi stator (%)

Lỗ rotor (%)

Lỗi khác (%)

Lỗi trong động cơ cảm ứng có thể được phân loại như sau:

a Các lỗi liên quan đến điện: Các lỗi trong phân loại này là mất cân bằng điện

áp hoặc dòng điện, một pha, thấp hoặc quá áp, thứ tự pha bị ngược , lỗi chạm đất, quá tải, lỗi ngắn mạch vòng dây trong cùng cuộn dây

b Lỗi liên quan đến cơ khí: Các lỗi trong phân loại này là thanh rotor bị hỏng, mất cân bằng trục , khoảng cách khe hở giữa bề mặt stator và rotor không đồng đều, hỏng ổ bi, hỏng cuộn dây rotor và cuộn dây stator

c Các lỗi liên quan đến môi trường: Nhiệt độ môi trường xung quanh cũng như bên ngoài có độ ẩm cao sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ Rung động của máy, do bất kỳ lý do chẳng hạn như lỗi lắp đặt, nền đế… cũng sẽ ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ điện

Các lỗi được thể hiện trong Bảng 2.3 có ý nghĩa rộng; lỗi stator có thể có nhiều dạng khác nhau và các dạng lỗi có thể khác nhau trong cùng một rotor Để phân loại các dạng lỗi trong động cơ cảm ứng có thể được liệt kê như sau:

i Broken bar fault (đứt gãy thanh rotor),

ii Rotor mass unbalance fault (không cân bằng rotor)

iii Bowed rotor fault (rôto bị cong vênh)

iv Bearing fault (hư hỏng ổ bi)

v Stator winding fault (hư hỏng cuộn dây stator)

vi Single phasing fault (mất pha)

…

Lỗi được liệt kê (i) - (iii) là những lỗi chung khi lỗi liên quan đến rotor đóng góp khoảng 8–9% tổng số lỗi của động cơ

Ở động cơ cảm ứng, nhiều lỗi có thể xảy ra đồng thời và trong những trường hợp

đó việc xác định nguyên nhân ban đầu là khá khó Ảnh hưởng của các lỗi như vậy trong động cơ cảm ứng sẽ dẫn đến mất cân bằng dòng điện và điện áp, dao động mô-men xoắn, giảm hiệu suất và mô-men xoắn của động cơ, gây quá nhiệt và rung quá mức Hơn nữa, những lỗi động cơ này có thể làm tăng độ lớn của thành phần sóng hài

stator động cơ điện) (ii) Abnormal connection of the stator windings; (Đấu nối sai) (iii) Broken rotor bar or cracked rotor end rings; (Vòng ngắn mạch của rotor bị nứt hoặc gãy)

(iv) Static and/or dynamic air gap irregularities; (Khe hở không khí giữa stator

và rotor không đều) (v) Bent shaft; (Trục bị cong) (vi) Shorted rotor field winding; (….) (vii)Bearing & gearbox failures; (Các lỗi liên quan đến vòng bi, ổ đỡ và hộp số động cơ)

Việc giám sát tình trạng của máy điện không đồng bộ luôn là nhiệm vụ đầy thách thức đối với các nhà nghiên cứu từ trước đến nay, chính vì thế đã có rất nhiều kỹ thuật chẩn đoán lỗi khác nhau cho máy điện không đồng bộ nói chung cũng như động

cơ 3 pha không đồng bộ nói riêng Một trong những kỹ thuật chuẩn đoán được áp dụng như:

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)

Trong số những kỹ thuật chuẩn đoán động cơ điện, ký thuật giám sát độ rung của động cơ đã được áp dụng từ lâu và rất rộng rãi trong việc chuẩn đoán các lỗi liên quan đến phần cơ khí như hư hỏng ổ bi và mất cân bằng động cơ khí…kỹ thuật này giới hạn cho những động cơ nhỏ

Những kỹ thuật giám sát độ ồn, đường từ thông, giám sát phóng điện cục bộ và giám sát điện áp là những kỹ thuật được dùng từ rất sớm, nhược điểm là những phương pháp này sử dụng những cảm biến đắt tiền và có vài hạn chế trong việc chẩn đoán lỗi động cơ điện 3 pha không đồng bộ

Với những thuận lợi và phát triển vượt bậc trong việc xử lý tín hiệu số Digital Signal Processing Techniques (DSP), người ta đã ứng dụng DSP vào viêc phân tích dòng điện của cuộn dây stator trong việc chẩn đoán lỗi như Fast Fourier transform

(FFT) (Khai triển chuỗi Fourier nhanh), Short Term Fourier Transform (STFT) (Khai triển chuỗi Fourier chậm) và Wavelet Transform (WT) (Biến đổi wavelet)