chẩn đoán hư hỏng máy phát điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH HOÀNG

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 5 3 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH HOÀNG

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 5
1.1. Tổng quan chung ........................................................................................................ 5
1.2. Những kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ......................................................... 6
1.3. Mục đích của đề tài .................................................................................................... 7
1.4. Nhiệm vụ của đề tài .................................................................................................... 7
1.5. Giới hạn đề tài ............................................................................................................. 8
1.6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 8
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................... 9
2.1. Lý thuyết về chẩn đoán kỹ thuật ................................................................................. 9
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu của bài toán chẩn đoán. ................................................ 11
2.1.2. Chẩn đoán dựa trên phân loại triệu chứng ........................................................ 12
2.1.3. Nghiên cứu về phân tích và xử lý số liệu........................................................... 12
2.1.4. Nghiên cứu về thông số chẩn đoán .................................................................... 14
2.1.5. Các hướng nghiên cứu chính trong chẩn đoán MPĐ ......................................... 14
2.2. Các nghiên cứu về thông số chẩn đoán [1],[3] ......................................................... 15
2.2.1 Kiểm soát momen và lực cơ học trên trục MPĐ................................................. 15
2.2.2. Kiểm soát tiếng ồn ............................................................................................. 15
2.2.3. Đo độ rung ......................................................................................................... 15
2.2.4. Kiểm soát dựa trên các đại lượng điện .............................................................. 16
2.3. Các nghiên cứu về xử lý thông tin ............................................................................ 17
2.3.1. Các kỹ thuật xử lý thông tin thường dùng trong chẩn đoán MPĐ ..................... 17
2.4. Kỹ thuật chẩn đoán ................................................................................................... 17
2.5. Lý thuyết về máy phát đồng bộ ba pha ..................................................................... 18

Trang 1


2.5.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 18
2.5.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc ............................................................................ 18
2.5.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ ................................................ 20

2.5.4. Những hư hỏng thường gặp MPĐ ..................................................................... 22
2.5.5. Hư hỏng về điện ................................................................................................. 24
2.5.5.1. Hư hỏng về cuộn dây ...................................................................................... 24
2.5.6. Hư hỏng về cơ .................................................................................................... 24
2.5.6.1. Hư hỏng vòng bi ............................................................................................. 24
2.5.7. Các hư hỏng về nhiệt độ ........................................................................................ 25
2.6. Lý thuyết về cảm biến dòng ...................................................................................... 26
2.6.1. Thông số cảm biến dòng ACS12-30A ............................................................... 27
2.7. Thông số Card Ardruno ............................................................................................ 27
2.8. Lý thuyết về DAQ..................................................................................................... 28
2.9. DAQ (data acquisition) ............................................................................................. 28
2.9.1 Mối quan hệ giữa LabVIEW với thiết bị DAQ .................................................. 29
2.9.2. Cấu trúc cơ bản của DAQ .................................................................................. 30
2.9.3. Bộ chuyển đổi và điều hòa đường truyền tín hiệu ............................................. 30
2.9.4. Phần cứng DAQ ................................................................................................. 32
2.10. Lý thuyết về FFT .................................................................................................... 33
2.10.1. Phép biến đổi Z ................................................................................................ 34
2.10.2. Định nghĩa........................................................................................................ 34
2.10.3. Phép biến đổi z ngược ...................................................................................... 34
2.10.4. Quan hệ của phép biến đổi Z với phép biến đổi Fourier ................................ 35
2.10.5. So với phép biến đổi Laplace........................................................................... 35
2.10.6. Biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete Fourier Transform) ......................... 36

Trang 2


2.10.7. Lọc tín hiệu ...................................................................................................... 37
2.10.8. Hàm cửa sổ ...................................................................................................... 38
2.10.9. Rectangular ...................................................................................................... 39
2.10.10. Hamming ....................................................................................................... 39

2.10.11. Hanning .......................................................................................................... 39
2.10.12. Triangle (Bartlett) .......................................................................................... 40
2.10.13. Black man ...................................................................................................... 40
2.10.14. Flat top ........................................................................................................... 40
2.10.15. Exponent down .............................................................................................. 41
2.11. Lý thuyết về LabVIEW........................................................................................... 41
2.11.1. Các khả năng chính của LabVIEW .................................................................. 42
2.11.2. Môi trường phát triển LabVIEW ..................................................................... 42
2.11.3.Các tín hiệu đo được với LabVIEW ................................................................. 43
2.11.4. Phân tích .......................................................................................................... 43
2.11.5. Hiển thị ............................................................................................................ 43
2.11.6. Điều khiển ........................................................................................................ 44
2.12. Giao tiếp LaBVIEW với Arduino –Uno R3 ........................................................... 44
2.13. Thu tập dữ liệu của máy phát với LabVIEW và Ardruino ..................................... 45
2.13.1. Kết nối LabVIEW với Arduino ....................................................................... 45
2.13.2. Gói VIs Arduino .............................................................................................. 46
CHƯƠNG 3: ........................................................................................................................ 50
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN.................................................... 50
3.1. Mô hình chẩn đoán hư hỏngMPĐ ............................................................................. 50
3.2. Chọn các khối lập trình cho Labview ....................................................................... 51
3.2.1 Khai báo ngõ vào/ra cho Card Ardruino ............................................................. 51

Trang 3


3.2.2 Khai báo ngõ vào cho Card Ardruino ................................................................. 51
3.2.3 Khối phân tích phổ .............................................................................................. 51
3.2.4 Khối ghi dữ liệu đo lường thành file.lvm ........................................................... 52
3.2.5.Chương trình thu thập dữ liệu của MPĐ với Labview và Arduino .................... 52
3.2.6. Code LaBVIEW online ...................................................................................... 52

3.2.7. Code LaBVIEW offline ..................................................................................... 53
3.3. Kết quả các lỗi về vòng bi ........................................................................................ 54
3.3.1. Trường hợp hư hỏng bên trong vòng bi ............................................................. 54
3.3.2. Trường hợp hư hỏng bên ngoài vòng bi ............................................................ 55
CHƯƠNG 4: ........................................................................................................................ 57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 58

Trang 4


Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung
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 thông tin thu nhận được. Nội dung này được
xem xét các phương pháp thu thập và đánh giá các thông tin chẩn đoán, các mô hình
chẩn đoán.
Chẩn đoán cũng có thể sử dụng các phép kiểm tra, tức là các trạng thái đầu vào
đặc biệt nhằm làm cho hệ thống bộc lộ các triệu chứng của trạng thái hiện
tại. Mục đích của Chẩn đoán kỹ thuật là đánh giá trạng thái ở các thời điểm, phát hiện
sớm các hư hỏng đang và sẽ phát sinh của hệ thống, từ đó đưa ra các biện pháp kỹ
thuật chống hỏng hóc, bảo trì báo dưỡngng nhằm cải thiện độ tin cậy, an toàn và tuổi
thọ của hệ thống kỹ thuật
Lỗi được định nghĩa như một sự sai lệch không chấp nhận được của ít nhất một
tham số, thuộc tính hay biến so với giá trị chuẩn.
Kết quả chẩn đoán đánh giá mức độ sai lệch của thông số kỹ thuật của đối tượng
trong chẩn đoán thời gian (kiểm soát) hiện tại, cũng như kiểm tra tính sẵn sàng và
hoạt động đúng của đối tượng, việc tìm kiếm các lỗi ảnh hưởng tới tính hiệu quả và

khả năng hoạt động của đối tượng. Khi xác định tình trạng kỹ thuật của các đối tượng,
cũng phải giải quyết vấn đề dự báo diễn biến lỗi, vấn đề nguồn gốc lỗi và ước lượng
tình trạng kỹ thuật của đối tượng trong tương lai.
Một hệ thống chẩn đoán sẽ thực hiên công việc trên bằng cách thực hiện một loạt
các phép kiểm tra, thu thập số liệu, phân tích các số liệu đã thu thập để tìm ra các dấu
hiệu đặc biệt, và trên cơ sở các dấu hiệu đã tìm thấy, kết luận về trạng thái của thiết
bị.

Trang 5


1.2. Những kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong thời đại công nghệ phát triển mạnh như hiện nay, Việc ứng dụng công
nghệ vào phục vụ cho viêc chẩn đoán hư hỏng của thiết bị là nhu cầu thiết. Hiện nay
trên thế giới các công nghệ chuẩn đoàn hư hỏng của thiết bị phát triển khá mạnh và
ứng dụng ở nhiểu lĩnh vực, với độ chính xác ngày càng cao. Ở Việt Nam vì nhiều lý
do khác nhau mà chẩn đoàn hư hỏng của thiết bị chưa được ứng dụng và phát triển
nhiều, cũng như rất ít các kết quả được công bố.
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước:
[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.
[5] Ping Yang, Sui-sheng Liu Fault Diagnosis System for Turbo-generator Set

Based on Fuzzy Neural Network
[6] Khalaf Salloum Gaeid and Hew Wooi Ping ―Wavelet fault Diagnosis
and Tolerant of Induction Motor - A review International Journal of the
Physical Sciences Vol. 6(3), 4 February, 2011, pp 358-376.
[7] Rudra Narayan Dash “Fault Diagnosis in Induction Motor Using Soft
Computing Techniques”, Department Of Electrical Engineering National Institute Of
Technology, Rourkela-769008 India

Trang 6


[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
1.3. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu về lý thuyết chẩn đoán áp dụng cho đối tựợng là MPĐ, xác định
thông số chẩn đoán phù hợp. Sử dụng kỹ thuật FFT phân tích phổ dòng điện kết luận
tình trạng hư hỏng cho MPĐ
1.4. Nhiệm vụ của đề tài
Trong đề tài này tác giả nghiên cứu về cơ sở lý thuyết về chẩn đoán hư hỏng
thiết bị từ các khái niệm cơ bản đến những lý thuyết phức tạp. Những nhiệm vụ trọng

tâm của đề tài như sau:
- Nghiên cứu xây dựng hệ thống thu thập trên cơ sở lý thuyết.
- Xây dựng mô hình thu thập dữ liệu dòng điện của MPĐ sau đó phân tích phổ
sử dụng phần mềm LabView để phân tích hư hỏng thiết bị dựa trên các tần số hư cụ
thể

Trang 7


1.5. Giới hạn đề tài
Trong kỹ thuật chẩn đoán hư hỏng thiết bị có rất nhiều hư hỏng, trong giới hạn
của đề tài chỉ trình bày về hư hỏng về cơ khí mà chủ yếu tập trung vào hai hư hỏng
chính là hư hỏng trong và ngoài vòng bi.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về chẩn đoán, lựa chọn
và xây dựng các mô hình chẩn đoán và phương pháp chẩn đoán tình trạng kỹ thuật
của đối tượng cần chẩn đoán. Thực hiện thí nghiệm trên mô hình để đánh giá kết quả
chẩn đoán. Nghiên cứu trong đề tài có sự kế thừa các công trình nghiên cứu của các
nhà nghiên cứu, các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố, ngoài
ra nghiên cứu cũng góp phần cho nghiên cứu chẩn đoán hư hỏng máy phát điện bằng
tiếng việt. Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, thời gian làm luận văn từ ngày
01/09/2014 đến 28/02/2015. Trong mỗi chương bao gồm:


Chương 1. Tổng quan



Chương 2. Cơ sở lý thuyết



Chương 3. Kết quả thực nghiệm



Chương 4. Kết luận và hướng phát triển

Trang 8


Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về chẩn đoán kỹ thuật
Bản chất của chẩn đoán là sự phát triển và thực hiện các thuật toán ước tính
các thông số kỹ thuật của đối tượng chẩn đoán mà không cần thay đổi điều kiện làm
việc của các thông số kiểm soát. Từ các mô hình bộ lọc lỗi phát hiện lỗi được
Beard và Jones đề cập năm 1970, đến nay, lý thuyết về chẩn đoán và phát hiện lỗi
đã phát triển thành một nhánh quan trọng trong kỹ thuật thiết kế và chế tạo nhờ sự
phát triển của các lĩnh vực liên quan như: Khoa học về máy tính, lý thuyết điều khiển
và mô hình hóa. Đặc biệt do sự phát triển phần cứng máy tính cho phép xây dựng
những khâu điều khiển và tính toán với tốc độ cao là cơ sở cho các hệ thống tính toán
điều khiển phức tạp.
Bài toán phát hiện lỗi (Fault Detection): Mục tiêu là xác định xem đối tượng
có làm việc bình thường hay không. Trong trường hợp này, tập trạng thái được chia
thành hai tập nhỏ: S0 ứng với trạng thái làm việc bình thường và các trạng thái còn
lại ứng với lỗi. Nhiệm vụ của bài toán là xác định xem hệ đang nằm trong trạng thái
S0 hay các trạng thái còn lại. Hệ thống sẽ tạo ra tín hiệu cảnh báo cho người vận hành
về tình trạng làm việc bất thường của hệ thống.

Bài toán phân biệt lỗi (Fault Isolation): Trong trường hợp này, cần phân
biệt càng rõ càng tốt xem đối tượng đang nằm trong trạng thái nào trong số các trạng
thái đã nêu ở trên. Do một lỗi xảy ra trong đối tượng đồng thời ảnh hưởng đến nhiều
thông số đầu ra khác nhau nên việc xác định đúng trạng thái của đối tượng là một
công việc hoàn toàn không dễ dàng; thậm chí trong một số tình huống là không thể
thực hiện được. Nội dung của bài toán là phân tích, tổng hợp các triệu chứng của lỗi,
từ đó định vị được lỗi nằm ở bộ phận chức năng nào.
Bài toán xác định lỗi (Fault Indentification) mong muốn tìm nguyên nhân của
lỗi: Chi tiết gây ra lỗi, thời điểm gây ra lỗi.

Trang 9


Cao hơn nữa, một hệ thống dung lỗi (Fault Tollerance) cho phép làm việc
trong trường hợp có lỗi bằng cách sử dụng các giải pháp thay thế tương đương về
phần cứng hoặc phần mềm: Với các cảm biến lỗi, tín hiệu của cảm biến có thể được
thay thế bằng tính toán tương đương từ các thông số khác của hệ thống. Trong
trường hợp này, hệ sẽ phải chịu chất lượng làm việc thấp hơn do chi phí tính toán cao
hơn, độ chính xác giảm do phương pháp tính gián tiếp, độ tin cậy giảm do không
có thông số kiểm soát... nhưng vẫn duy trì được trạng thái làm việc bình thường
của cả hệ thống.
Các định nghĩa về quá trình nhận dạng lỗi đã được định nghĩa bởi Hiệp hội
Safe Process do R. Isermann và P. Ballé đề xuất năm 1996.
- Theo dõi (Monitoring): là quá trình thu thập và chuyển đổi các thông số chẩn
đoán nhằm phát hiện các biểu hiện bất thường. Quá trình này thực hiện với thời gian
thực.
- Giám sát (Supervison) bao gồm quá trình theo dõi và đưa ra những quyết
định cho phép chắc chắn những hành động hợp lý trong trường hợp có lỗi.
- Bảo vệ (Protection): Bao gồm tất cả các quá trình giám sát và thao tác nhằm
hạn chế tối đa những thiệt hại do lỗi gây ra.

Trong tài liệu này cũng phân biệt giữa theo dõi diễn biến của quá trình (hoạt
động của một đối tượng) và theo dõi trạng thái của quá trình (trạng thái của đối tượng).
Theo dõi hoạt động đựợc hiểu là công việc hướng tới chẩn đoán đối
tượng, tín hiệu hóa và thể hiện dưới dạng lược đồ trạng thái của đối tượng và sự thay
đổi của nó. Như vậy, các hệ thống theo dõi trạng thái là các hệ thống chẩn đoán thời
gian thực. Khi đối tượng hoạt động trong thời gian thực, hệ thống chẩn đoán có thể
hỗ trợ hoạt động kiểm tra và bảo vệ cho hệ thống như yêu cầu đối với hệ thống giám
sát. Vì vậy, một hệ thống giám sát được định nghĩa là một hệ thống chẩn đoán liên
tục hoặc một hệ quan sát liên tục trạng thái của đối tượng.

Trang 10


Kiểm tra là một công việc tiếp theo của chẩn đoán. Công việc này được hiểu
như là việc xác định một tập của các phép thử các nhau được xây dựng theo trật tự để
định lượng giá trị của các thuộc tính có ích của đối tượng được phân tích trong dải đã
được xác định của thông số. Một dạng đặc biệt của các thao tác này là các phép
chẩn đoán, nhằm xác định xem những tiêu chí đã được xác định có phù hợp với
các tiêu chuẩn và khuyến nghị hay không. Một quá trình chẩn đoán có thể được thực
hiện tự động.
Trong trường hợp đó, các phép chẩn đoán được hiểu là một tập của các thao
tác được thực hiện bởi phần mềm nhằm đặt các giá trị cho trước lên các biến công
nghệ. Mục tiêu của các thao tác trên là để kiểm tra sự phù hợp trong hoạt động của
phần đối tượng cần kiểm tra. Kết quả của phép kiểm tra trên là tín hiệu kiểm tra có
chứa những thông tin về chi tiết cần kiểm tra.
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu của bài toán chẩn đoán.
Mục tiêu của bài toán chẩn đoán là xác định xem hệ thống đang làm việc có
bình thường hay không và trạng thái của nó như thế nào. Trong [8], Mattias Nyberg
đã định nghĩa bài toán phân loại chẩn đoán như sau:
Coi đối tượng chẩn đoán gồm n chi tiết, mỗi chi tiết có các thông số trạng thái

tương ứng xi. Hệ sẽ làm việc bình thường khi cả n chi tiết đều làm việc bình thường.
Khi một trong số các chi tiết này làm việc không bình thường, hệ sẽ gặp lỗi f i.
Có thể xảy ra 3 tình huống như sau:
- Hệ không lỗi: Trạng thái của hệ thống đặc trưng bởi tập lỗi trống S0={}
- Hệ gặp một trong số các lỗi đã nêu Sm={fi}
- Hệ gặp đồng thời nhiều lỗi đồng thời Sn={fi, fj,...}.
Như vậy, tại một thời điểm, hệ sẽ nằm ở một trong các trạng thái của tập trạng thái
{S0, Sm, Sn}.
Mục tiêu của bài toán chẩn đoán là xác định xem hệ đang nằm ở trạng thái nào
trong số các trên. Có thể thấy ngay rằng, số lượng trạng thái trong tập tăng theo cấp

Trang 11


số nhân theo số lượng phần tử và số lỗi đồng thời xảy ra. Nói cách khác, hệ càng phức
tạp và số lượng lỗi đồng thời xảy ra càng nhiều thì việc chẩn đoán càng khó khăn.
2.1.2. Chẩn đoán dựa trên phân loại triệu chứng
Phân loại triệu chứng là phương pháp chẩn đoán truyền thống. Trên cơ
sở những thông số quan trọng có thể đo được, các biểu hiện lỗi (triệu chứng) được
phát hiện bằng cách so sánh với các giá trị ngưỡng. Tập hợp các triệu chứng hoặc
từng triệu chứng đơn lẻ sẽ cho biết tình trạng hiện tại của hệ thống.Phương pháp phân
loại sử dụng mô hình thống kê và phân loại mẫu để tìm ra mối quan hệ ngược từ sai
lệch đầu ra về lỗi đầu vào.
Nhược điểm của phương pháp này là không cho phép chẩn đoán sâu và khả
năng chẩn đoán tương đối cứng nhắc, tập triệu chứng bị bó hẹp ở tập thông
số đầu ra và thông số kết cấu làm cho hiệu quả chẩn đoán không được cao và hạn chế
khả năng chẩn đoán online. Bằng việc xây dựng các phương pháp chuyên gia trong
phân tích số liệu và mô phỏng quá trình kết luận của chuyên gia, phương pháp này
trở nên hiệu quả hơn, nâng cao chất lượng chẩn đoán và mở rộng phạm vi ứng dụng
của phương pháp.

Dựa trên cơ sở quan sát lâu dài tập các đối tượng chẩn đoán, các hư hỏng
và triệu chứng gặp phải, người ta có thể xây dựng được mối quan hệ ngược giữa
các triệu chứng và hư hỏng cũng như độ tin cậy của kết luận. Mối quan hệ này có thể
được thể hiện bằng các bảng sự thật, ma trận kết luận chẩn đoán hoặc cây xác suất,
Bayes Graph. Các kết quả của phương pháp này là cơ sở cho các phương pháp kết
luận chẩn đoán dựa trên ma trận chẩn đoán và graph chẩn đoán.
Phương pháp này vẫn được áp dụng trong những lĩnh vực mà ở đó, mối quan
hệ giữa lỗi và thông số cấu trúc không thể mô tả tường minh bằng các quan hệ toán
học.
2.1.3. Nghiên cứu về phân tích và xử lý số liệu
Với các phương pháp phân tích số liệu hiện đại có hỗ trợ của các máy tính,
các phép phân tích phức tạp có thể được áp dụng, đặc biệt là các phân tích phổ tần số

Trang 12


hoặc phân tích wavelet ứng dụng cho chẩn đoán MPĐ và các thiết bị quay. Tiến bộ
này đã thúc đẩy phương pháp chẩn đoán dựa trên tín hiệu phát triển mạnh, từ đó cho
phép sử dụng các thông số mới trong chẩn đoán hoặc khai thác triệt để các thông tin
đã thu thập được như độ rung của MPĐ, tiếng ồn, phổ dòng điện, từ trường bên ngoài
máy phát...
Tuy nhiên, chỉ khi có các máy tính số mạnh như hiện nay thì việc áp dụng các
thuật toán phân tích số liệu phức tạp như các thuật toán phân tích FFT, wavelet hay
tính toán thông minh (Inteligence Computation) mới được sử dụng một cách rộng rãi
và hiệu quả trong các bài toán chẩn đoán.
Đặc biệt đối với các đối tượng quay, do tính chu kỳ của tín hiệu, các phương
pháp phân tích phổ rất hay được ứng dụng. Nhờ các phương pháp phân tích số liệu,
cho phép bộc lộ các đặc trưng của lỗi. Như vậy, có thể sử đối tượng chẩn đoán phát
hiện triệu chứng phân tích triệu chứng tín hiệu vào tín hiệu ra triệu chứng kết luận
chẩn đoán dụng các phép đo gián tiếp để phát hiện các triệu chứng thay vì tìm kiếm

các triệu chứng từ số liệu đo trực tiếp. Ví dụ về phương pháp này là các phương pháp
chẩn đoán dựa trên phân tích tín hiệu để chẩn đoán các thiết bị quay [3]. Trong nhiều
công trình nghiên cứu về chẩn đoán động cơ, bằng cách áp dụng phân tích Furrier
cho các tín hiệu dòng điện và điện áp, người ta đã đề xuất được các phương pháp
chẩn đoán trên cơ sở phân tích phổ tần số của các tín hiệu này. Việc ứng dụng trí tuệ
nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) trong bài toán kết luận chẩn đoán cũng là hướng
nghiên cứu rất sôi động trong lĩnh vực chẩn đoán. Đây là một hướng được nghiên cứu
nhiều trong lĩnh vực xử lý số liệu chẩn đoán. Vì nó không cần các mô hình toán học
tường minh, nó có ý nghĩa ứng tốt và có khả năng phát triển trong lĩnh vực chẩn đoán.
Hai dạng bài toán ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong chẩn đoán là:
Bài toán ước lượng thông số: Trong phương pháp chẩn đoán dựa trên mô hình
đối tượng, vấn đề rất quan trọng là phải mô phỏng được chính xác trạng thái đầu ra
của đối tượng sẽ thay đổi như thế nào theo sự thay đổi của đầu vào, thậm chí cả nhiễu.
Thay vì sử dụng các phương trình toán học, mạng nơron có thể được dùng như một

Trang 13


công cụ để mô phỏng một số khâu hoặc toàn bộ mô hình. Điều đó là nhờ vào khả
năng mô phỏng hàm phi tuyến của mạng nơron .
Bài toán kết luận chẩn đoán: Sau khi tập hợp được các triệu chứng, người ta
phải cân nhắc để quyết định hệ thống có thể ở trạng thái nào. Do tính không chắc
chắn của bài toán, nên các phương pháp sử dụng logic mờ và mạng nơron tỏ ra rất
phù hợp. Trong bài toán kết luận chẩn đoán, thay vì sử dụng các ngưỡng cố định,
người ta sử dụng các phương pháp kết luận dựa trên trí tuệ nhân tạo (Artificial
Intelligence - AI): logic mờ, mạng nơron hoặc kết hợp các phương pháp trên để đưa
ra kết luận chẩn đoán.
2.1.4. Nghiên cứu về thông số chẩn đoán
Hướng này tập trung tìm kiếm những đại lượng mới có mang thông tin về hư
hỏng. Tập trung nâng cao tính hiệu quả trong thu thập và xử lý số liệu bằng cách tìm

kiếm các thông số đơn giản hơn trong đo lường, mang thông tin tổng hợp về đối
tượng, nhờ đó, giảm bớt số phép đo, đơn giản hóa thao tác chẩn đoán.
Nhờ khả năng xử lý số liệu mạnh mẽ, các đặc trưng lỗi có thể được phân tích,
tách ngưỡng từ nhiều nguồn khác nhau, mở ra khả năng khai thác các thông số chẩn
đoán mới cho những lỗi đã biết hoặc thu gọn tập thông số chẩn đoán.
Nhờ có khả năng xử lý số liệu tốt hơn, nên có thể trích xuất thêm nhiều triệu
chứng từ các số liệu có tính tổng hợp cao (mang thông tin của đồng thời nhiều lỗi
khác nhau) từ đó, giảm bớt được số lượng biến chẩn đoán cần thu thập và nâng cao
hiệu quả chẩn đoán. Nhiều đề tài đi theo hướng tìm kiếm các triệu chứng mới thông
qua phân tích các thông số đầu ra đã biết.
2.1.5. Các hướng nghiên cứu chính trong chẩn đoán MPĐ
Máy phát điện là loại thiết bị được sử dụng rất phổ biến, do vậy, có rất nhiều
công trình nghiên cứu về lĩnh vực này. Do máy phát điện là loại thiết bị quay, nên
các phân tích phổ được nghiên cứu rất nhiều nhằm phát hiện các đặc trưng theo tần
số và phổ của tín hiệu. Các phân tích wavelet cũng được nghiên cứu để phân tích sự

Trang 14


ảnh hưởng của lỗi đến dạng xung thời gian của tín hiệu. Tổng kết về một số nội dung
nghiên cứu chính được đề cập.
Một số nội dung nghiên cứu và kết quả chủ yếu được liệt kê sau đây, trong đó
đa số áp dụng cho máy phát điện.
2.2. Các nghiên cứu về thông số chẩn đoán [1],[3]
2.2.1 Kiểm soát momen và lực cơ học trên trục MPĐ
Mọi lỗi của động cơ đều gây ảnh hưởng tới khe từ. Nhưng không thể đo được
khe từ một cách trực tiếp. Sự khác biệt giữa momen quay trên trục so với momen tính
toán có thể chỉ ra những lỗi của thanh dẫn. Công suất tức thời trên trục có sự trễ so
với công suất điện. Những chi tiết như rotor, trục và tải cơ khí sẽ gây ra lực xoắn.
Tuy nhiên, các thành phần khác nhau của thiết bị sẽ gây ra những thành phần hài khác

nhau của lực xoắn. Nhược điểm của phương pháp này là việc đo momen lực trên trục
quay tương đối khó khăn và đòi hỏi chuẩn bị trước.
2.2.2. Kiểm soát tiếng ồn
Kiểm soát tiếng ồn được đo và phân tích bằng các máy phân tích phổ âm thanh.
Tiếng ồn trong máy phát đồng bộ 3 pha chủ yếu sinh ra từ khe từ. Phương pháp này
có khả năng phát hiện được sự thay đổi của khe không khí. Tuy nhiên, việc đo độ ồn
âm thanh trong nhà máy công nghiệp hoặc trên đầu máy là không khả thi vì tiếng ồn
nền gây ra từ các thiết bị khác rất lớn làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phương
pháp chẩn đoán.
2.2.3. Đo độ rung
Sự bất đồng bộ về cơ khí và điện sẽ tạo nên hiện tượng rung tuần hoàn của
thiết bị. Đồng thời sự biến động mạnh của dòng điện sẽ gây ra nhiễu. Nhiễu và rung
trong thiết bị điện có thể gây ra bởi lực điện từ, cơ khí hoặc khí động. Phần lớn nhiễu
và rung trong máy điện gây ra bởi từ trường trong khe từ. Phân bố từ trường trong
khe từ phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc rotor, stator và sự thẩm từ. Vì vậy lực điện từ
và độ rung cũng phụ thuộc rất nhiều vào sự mất đối xứng của các chi tiết điện từ.
Bằng việc phân tích rung động, người ta có thể phát hiện ra rất nhiều lỗi và sự bất cân

Trang 15


xứng về cấu trúc. Lỗi vòng bi, lỗi rotor, lỗi hộp số và rotor không cân bằng là những
lỗi dễ phân biệt nhất. Người ta có thể phân tích tần số xung quanh tần số cơ bản, phổ
rộng hoặc một vài tần số đặc biệt để phát hiện lỗi. Phương pháp phân tích rung động
rất có hiệu quả trong phân tích lỗi, tuy nhiên, nó đòi hỏi có các thiết bị đo chuyên
dụng, và vì thế khó áp dụng cho các thiết bị công suất nhỏ.
Kỹ thuật FFT thường được sử dụng trong phương pháp đo này nhằm trích xuất
các vạch phổ. Việc kết luận lỗi có thể sử dụng trên cơ sở logic mờ hoặc mạng nơron
để phân biệt các dấu hiệu đặc trưng của lỗi.
2.2.4. Kiểm soát dựa trên các đại lượng điện

Các phương pháp này kiểm soát dòng stator để phát hiện rất nhiều lỗi của máy
phát điện. Trong đa số các ứng dụng, dòng stator của máy phát điện được kiểm soát
để bảo vệ máy phát bởi các lỗi quá dòng, quá tải, chạm chập..., do vậy, việc chẩn
đoán dựa trên dòng điện không cần bổ sung thêm cảm biến.
Trong phương pháp này, một số hướng chẩn đoán được sử dụng:
Phân tích dấu hiệu dòng điện: Trong thời gian gần đây, phương pháp phân tích
lỗi dựa trên dấu hiệu dòng điện được sử dụng phổ biến. Ngoài phép phân tích furrier
cho thành phần cơ bản, phép phân tích phổ cho các thành phần tần số cao được sử
dụng để phát hiện các lỗi hỏng thanh dẫn rotor, vòng chập mạch, lỗi stator và lệch
tâm động.
Mối liên hệ giữa dòng điện và rung động được sử dụng để phát hiện ra các lỗi
về vòng bi và bộ phận quay. Có thể phân tích dòng pha hoặc dòng trên dây trung tính
Các bộ lọc hoặc mạng nơron có thể được sử dụng để ghi nhận trạng thái làm
việc tốt của thiết bị dưới điều kiện tải bình thường.
Các phân tích sóng hài cho phép phát hiện các lỗi ở khe không khí, bao gồm
cả các lỗi ở stator và rotor.
Phân tích wavelet trong trạng thái hoạt động ổn định hoặc trạng thái khởi động
cũng cho biết nhiều thông tin về tình trạng thiết bị, đặc biệt là tình trạng của rotor

Trang 16


2.3. Các nghiên cứu về xử lý thông tin
2.3.1. Các kỹ thuật xử lý thông tin thường dùng trong chẩn đoán MPĐ
Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu thường dùng trong chẩn đoán MPĐ:
- Ngưỡng chẩn đoán và kỹ thuật phân tách ngưỡng động cho phép xác định
các biểu hiện lỗi khi thiết bị làm việc với các chế độ tải khác nhau.
- Lọc, lọc thích nghi nhằm làm rõ các triệu chứng lỗi.
- Phương pháp phân tích FFT được nghiên cứu đặc biệt rộng rãi trong phát
hiện các lỗi của rotor và bộ phận quay. Đây là hướng nghiên cứu được đặc biệt quan

tâm. Gần như tất cả các thông số có dải tần trong phạm vi làm việc của động cơ đều
được nghiên cứu, phân tích nhằm phát hiện các vạch phổ ứng với lỗi: Dòng điện,
tiếng ồn, từ trường tản và đều tìm thấy được các đặc trưng của lỗi.
Phân tích Wavelet sử dụng trong phân tích tín hiệu quá độ của MPĐ.
2.4. Kỹ thuật chẩn đoán
Một số kỹ thuật chẫn đoán lỗi:Miền tần số: Biến đổi fourier ( FFT), Thời giantần số:
- Short fourier transform ( STFT )
- Gabor transform ( GT)
- Cohen class distribution.
- Wigner – Ville distribution (WVD )
- Choi – Williams distribution
- Cone shaped distribution
- Wavelet transform ( WT )
Ở đây tác giả chọn kỹ thuật FFT để chẩn đoán vì kỹ thuật này chẩn đoán được
nhiều hư hỏng, đơn giản và chính xác

Trang 17


Bảng 1: Kỹ thuật chẩn đoán FFT[5]
Kỹ thuật

Đo lường cần
thiết

Chẩn đoán lỗi
Vỡ thanh rotor

Dòng điện
Stator

FFT

Ưu điểm
Thích hợp cho
điều kiện tải
cao

Mất thông tin
thời gian

Dễ thực hiện

Không hiệu
quả ở điều kiện
tải nhẹ

Ngắn mạch cuộn
dây
Khe hỡ không khí

Nhược điểm

Lỗi vòng bi
Lỗi về tải ngắn
2.5. Lý thuyết về máy phát đồng bộ ba pha
2.5.1. Giới thiệu

Trong hệ thống điện hiện nay máy phát điện là phần tử cung cấp điện năng
cho toàn hệ thống. Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông

thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động
cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năng
khác. Máy phát điện giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện. Nó
thực hiện hai chức năng: phát điện, hiệu chỉnh điện áp
2.5.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
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:
𝑛=

60.𝑓

(2.1)

𝑝

Trong đó n : tốc độ; f : tần số; p : số đôi cực
Theo nguyên lý thuận nghịch máy điện đồng bộ có thể vận hành theo chế
độ máy phát hay động cơ. Đại bộ phận điện sử dụng hiện nay trong công nghiệp và
đời sống là năng lượng dòng điện xoay chiều do các máy phát điện cung cấp. Do đó
máy phát điện đồng bộ có một vị trí quan trọng trong hệ thống điện.

Trang 18


Máy phát điện đồng bộ có ba bộ phận chính, phần cảm, phần ứng và phần
kích từ

Hình 2.1: Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ
Phần cảm:
Thường phần cảm được đặt trên trục quay. Cấu tạo gồm một lõi thép trên

đó dây quấn tạo thành một nam châm điện. Từ trường của nam châm điện phần cảm
sinh ra khá mạnh và ổn định theo tần số tiêu chuẩn của dòng điện dung trong công
nghiệp f=50Hz. Máy có hai cực p=1 ứng với tốc độ n=3000 vòng/phút, máy điện đồng
bộ hai cực có tốc độ cao phần cảm làm cực ẩn, lõi thép có dạng hình trụ tròn, trên
mặt có rãnh đặt dây. Các cực nam châm khác tên được đặt liên tiếp trên phần cảm
quay. Mỗi cực có một lõi thép. Ngoài có đặt dây quấn tập trung, trên mặt lõi thép là
phần cực có dạng hình cong sao cho mật độ phân bố từ thông ở đầu cực từ có dạng
hình sin.
Phần ứng:

Trang 19


Phần ứng gồm dây quấn ba pha, ba cuộn dây có trục đặt lệch nhau một
góc 1200 điện không gian, đặt cố định trong rãnh của mạch từ bao quanh phần cảm.
Cấu tạo của mạch từ và bố trí cuộn dây của phần ứng tương tự như stato của động cơ
xoay chiều không đồng bộ.
Phần kích từ:
Nhiệm vụ của kích từ là tạo ra dòng điện một chiều cung cấp cho phần
cảm để tạo ra từ thông. Đại bộ phận của các máy phát điện xoay chiều công suất lớn
hiện nay phần kích từ là một máy phát điện một chiều gọi là máy kích từ đặt trên một
trục với máy phát điện xoay chiều. Dòng điện một chiều từ máy phát kích từ ra qua
hai chổi than tiếp xúc với vành trượt đặt trên trục nối vào dây quấn phần cảm.

Hình 2.2: Phần kích từ của máy phát điện đồng bộ
2.5.3. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
Phần cảm có dòng điện kích từ một chiều tạo thành nam châm điện 2 cực
quay với vận tốc n (vòng/phút). Phần ứng có ba cuộn dây AX, BY, CZ. Trục của
chúng đặt lệch nhau một góc 1200 điện trong không gian, khi phần cảm quay, từ thông
của nó quét qua các cuộn dây phần ứng, gây nên sự biến đổi từ thông trong các cuộn

dây theo chu kỳ. Do có sự biến đổi từ thông này, theo định luật cảm ứng điện từ trong
các cuộn dây AX, BY, CZ sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng e A, eB, eC. Vì các

Trang 20


cuộn dây có trục đặt lệch nhau 1200 điện nên các sức điện động ba pha. Trị số hiệu
dụng của các sức điện động cũng lệch nhau 1200 (tức là 1/3 chu kỳ). Ta được một hệ
thống sức điện động ba pha. Trị số hiệu dụng của các sức điện động này bằng nhau,
vì các cuộn dây có cấu tạo như nhau, xác định theo biểu thức:

Hình 2.3: Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ
E = 4,44.f.W.Φm.Kdq
Trong đó:

f=

𝑝.𝑛
60

(2.2)

: Tần số của sức điện động

W

: Số vòng của cuộn dây một pha

Φm

: Từ thông cực đại dưới một cực của phần cảm.

Kdq

: Hệ số dây quấn.

Giả thuyết 3 cuộn dây phần ứng nối hình sao thì ba đầu X, Y, Z được nối lại
với nhau tại một điểm (điểm 0) thì điểm đó gọi là điểm trung tính của máy phát điện.
Ba đầu cuộn dây A, B, C đưa 3 pha ra ngoài. Nếu nối phụ tải ba pha vào ba đầu A,
B, C thì sẽ có dòng điện ba pha chạy trong các cuộn dây rồi ra các phụ tải. Đây là hệ
thống dòng điện ba pha của phần ứng.
Tần số của dòng điện cũng bằng tần số của sức điện động:

Trang 21


f=

𝑝.𝑛

(2.3)

60

Nếu phụ tải ba pha cân bằng thì dòng điện bap ha cũng cân bằng nghĩa là trị
1

số hiệu dụng bằng nhau và lệch pha nhau chu kỳ.
3

Từ trường do dòng điện ba pha của phần ứng sinh ra qua các cuộn dây
AX, BY, CZ là một từ trường quay với tốc độ:
n0=

60.𝑓

(2.4)

𝑝

Tốc độ quay của từ trường phần ứng bằng tốc độ quay của phần cảm nên
máy phát điện này gọi là máy phát đồng bộ.
Quan hệ dòng điện Startor và rotor[7]:
1
√2
𝐼0
2
[𝐼𝛼 ] = √ 1
3
𝐼𝛽
[0
𝐼0 =

1
√3

1
√2
−1
2

√3
2

1
√2 𝐼
𝑎
−1
[𝐼𝑏 ]
2
𝐼𝑐
− √3
2 ]

(2.5)

(𝐼𝑎 + 𝐼𝑏 + 𝐼𝑐 )

(2.6)

2.5.4. 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

Trang 22


Bảng 2: Thống số MPĐ

Hình 2.3: MPĐ đồng bộ P=1KW

P

1KW

Cosϕ

1

Uđm

230V

Excit.current

23V

Excit.Volt

1.6A

Frequency

50Hz

Rpm

1500

Phase

3

Number ball 1

7

Number ball 2

8

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 2.4: Các hư hỏng 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.

Trang 23