ÁP DỤNG PHÂN TÍCH FURRIER NHANH CHO BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO ĐẦU MÁY DIEZEL TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PGS. TS. ĐỖ VIỆT DŨNG Bộ môn Đầu máy – Toa xe ThS. NGUYỄN VĂN NGHĨA Bộ môn Trang bị điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Mọi hư hỏng của động cơ điện kéo và hệ thống truyền động của đầu máy diezel truyền động điện đều có ảnh hưởng đến cường độ và chu kỳ lặp lại của xung đánh lửa cổ góp. Phương pháp phân tích FFT áp dụng cho tín hiệu xung đánh lửa cổ góp cho phép phát hiện sớm một số lỗi lỗi động cơ và truyền động. Bài báo trình bày phương pháp phân tích tín hiệu và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật đầu máy diezel truyền động điện một chiều dựa trên phép phân tích FFT tín hiệu xung đánh lửa cổ góp. Summary: Any failure of the pulling electric motors and the driving system on diesel locomotives affects the amplitude and repeated cycle of sparking impules. The FFT analysis method applied to the sparking impules makes it easier for users to detect failures of the motors and the driving system. This paper introdues the method of signal analysis and diagnosis of technical condition of pulling electric motors on diesel locomotives by using FFT analysis of sparking signals. ĐT I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt nam và trên thế giới, đầu máy diezel truyền động điện một chiều vẫn được sử dụng khá rộng rãi những ưu điểm của nó về đặc tính tải. Trong quá trình vận dụng, luôn tồn tại hiện tượng đánh lửa ở cổ góp động cơ điện kéo một chiều (ĐCĐK). Hiện tượng này xảy ra do rất nhiều nguyên nhân khác nhau: Về cơ khí, về điện, về cấu trúc của động cơ Hiện tượng đánh lửa thường được quan sát và định lượng bằng mắt thường. Tuy nhiên phương pháp này tồn tại một số nhược điểm sau: Thứ nhất: Để quan sát được hiện tượng đánh lửa, cần phải quan sát được cổ góp; do vậy, chỉ có thể được thực hiện khi động cơ điện kéo đã được tháo ra khỏi đầu máy hoặc mở nắp chổi than (khi vào cấp, sửa chữa). Thứ hai: Khi hư hỏng tiềm tàng, hiện tượng đánh lửa phát triển chậm và với cường độ thấp; nhưng khi hư hỏng phát sinh, hiện tượng đánh lửa sẽ xảy ra và phát triển hết sức mãnh liệt dẫn đến phá hỏng nhanh chóng thiết bị. Khi đó, việc phát hiện đánh lửa sẽ không còn ý nghĩa cho quá trình vận dụng và sửa chữa. Phương pháp thu nhận và đo tín hiệu xung đánh lửa (THĐL) cho phép phát hiện tình trạng đánh lửa ngay trong quá trình vận dụng đầu máy. Tuy nhiên, việc định giá qua cường độ xung đánh lửa chỉ có thể xác định mức độ đánh lửa hiện tại của động cơ mà không cho biết nguyên nhân lỗi và tiên lượng khả năng phát triển của lỗi. Kỹ thuật phân tích phổ tín hiệu (fast furrier transform - FFT) cho phép khai thác những thông tin về đặc tính tần số của tín hiệu xung đánh lửa, từ đó đưa ra các kết luận chẩn đoán sâu hơn về tình trạng thiết bị. II. NỘI DUNG 1. Cơ sở của phương pháp Đánh lửa là hiện tượng xuất hiện chùm tia lửa điện trên vành cổ góp động cơ điện một chiều trong quá trình hoạt động. Do tính chu kỳ của hệ quay, tín hiệu xung đánh lửa cũng xuất hiện lặp lại theo cùng chu kỳ. Tại một tốc độ chạy tàu nhất định, ứng với tốc độ quay xác định của ĐCĐK, độ lớn và tần số của xung đánh lửa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tình trạng kỹ thuật của cổ góp, chổi than, tình trạng của động cơ, tình trạng của hệ cơ khí đồng bộ. Tuy nhiên, xung đánh lửa là quá trình mang tính ngẫu nhiên nên tính chu kỳ lặp lại bị che dấu, đặc biệt khi hiện tượng đánh lửa xảy ra chưa mạnh mẽ và xuất hiện không liên tục. Bằng cách biến đổi furrier chuyển tín hiệu sang không gian tần số và phân tích tín hiệu trong một thời gian đủ dài, sẽ khử được các nhiễu ngẫu nhiên và thu được vạch phổ rõ nét. Dạng phổ tín hiệu ứng với các dạng tín hiệu thời gian khác nhau: - Tín hiệu điều hoà lặp lại với chu kỳ: Phổ tần số của tín hiệu điều hoà có chu kỳ có dạng vạch phổ tại tần số cơ bản với độ rộng vạch phổ nhỏ so với chiều cao phổ. - Tín hiệu xung kim lặp lại: Phổ có dạng hình chuông tại tần số cơ bản và n lần tần số cơ bản. ĐT - Tín hiệu xung 2. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới tần số và biên độ của xung đánh lửa 2.1. Các nguyên nhân gây ra xung đánh lửa và đặc tính của nó Phổ trắng: Khi đầu máy hoạt động bình thường, tín hiệu đánh lửa xuất hiện liên tục và ngẫu nhiên với cường độ nhỏ, Phân tích phổ có dạng phổ trắng trải đều trên cả dải tần số nhưng với biên độ tương đối nhỏ. Phổ trắng vẫn tồn tại khi xuất hiện đánh lửa mạnh và được loại trừ bằng cách lấy mẫu trong thời gian đủ dài Xung đánh lửa xuất hiện do sự không hoàn hảo của cổ góp: Cổ góp không nhẵn, do mòn, ô van quá hạn độ, phiến góp hoặc phiến mi ca bị nhô cao. Xung đánh lửa có chu kỳ xuất hiện phụ thuộc chu kỳ quay của rotor. Dưới đây phân tích các dạng hư hỏng, dạng tín hiệu xung đánh lửa và phân tích phổ tương ứng. Lỗi do cổ góp không đồng đều sẽ tạo ra tín hiệu Hình 1. Tín hiệu xung đánh lửa cổ góp và kết quả phân tích phổ xung đánh lửa lặp lại theo chu kỳ và biên độ thay đổi liên tục trong một chu kỳ. Qua phân tích furrier sẽ tạo ra một vạch phổ tập trung ở hài bậc nhất f 0 =1/T. Biên độ xung đánh lửa tăng theo mức độ hư hỏng. Hỏng 1 nan cách điện mica: Khi đó các chổi than trượt trên vành góp sẽ bị vấp vào phiến góp hoặc phiến mi ca nhô cao, sự tiếp xúc với vành góp bị gián đoạn sẽ phát sinh tia lửa điện giữa cặp chổi than và phiến góp. Quá trình biến thiên dòng điện, năng lượng sẽ tạo ra 1 xung đánh lửa/1 vòng quay. Phân tích furrier của tín hiệu này sẽ tạo ra phổ dạng hình chuông ở các vị trí hài k*f o . Hỏng k nan đơn: Cũng tương tự như khi hỏng một nan đơn, Xuất hiện chùm xung với chu kỳ lặp lại là chu kỳ của rotor. Phân tích furrier cho phổ dạng hình chuông ở tần số cơ bản và hài bậc k của tín hiệu Hỏng chổi than: Sẽ xuất hiện đánh lửa liên tục, ngẫu nhiên, tại nhiều nan; do vậy, phân tích phổ sẽ cho ta dạng phổ đều trên cả dải tần số (phổ trắng) và tập trung hơn ở quanh vùng một chiều (f = 0) tương tự như khi cổ góp bình thường nhưng với biên độ lớn hơn nhiều. Hỏng các chi tiết trong hệ dẫn động: (vỡ, sứt các bánh răng hộp giảm tốc trục, động cơ diesel không làm việc ổn định) Lực truyền động trên trục thay đổi giật cục (biên thiên giảm – tăng đột ngột) làm máy điện bị dao động lớn về cơ khí và phụ tải điện. Cường độ xung đánh lửa cổ góp biến đổi theo tải của động cơ điện kéo. Chu kỳ và biên độ xung đánh lửa cũng biến đổi tương ứng theo tải. Từ kết cấu của ĐCĐK, của bộ phần truyền lực và tham số đầu máy đo đạc ngoài hiện trường. Ứng dụng các phương pháp tính đã trình bày trên, xác định được các hàm số xác định tần số đánh lửa vòng góp ĐCĐK cho 1 số loại đầu máy khai thác trên đường sắt Việt Nam (bảng 1). ĐT Để các định mối quan hệ phụ thuộc giữa tần số xung đánh lửa và các hư hỏng cơ bản của động cơ điện kéo và hệ dẫn động trục, ngoài việc đo đạc đánh giá tần số, biên độ của xung đánh lửa cần thu thập thêm các tham số: * Tần số và chu kỳ xuất hiện của các hiện tượng hư hỏng phụ thuộc tốc độ quay của động cơ. Vì thế để thực hiện các phép phân tích cần xác định tốc độ quay hiện tại hoặc ở một tốc độ quy ước. * Cường độ tín hiệu thu được phụ thuộc cấu trúc động cơ và cách bố trí thiết bị đo, cần xác định cấu trúc * Quá trình đánh lửa cổ góp là một quá trình ngẫu nhiên, do vậy, khi phân tích tín hiệu cần thực hiện trong một khoảng thời gian dài để triệt tiêu nhiễu trắng do tính ngẫu nhiên của quá trình gây ra. 3. Sử dụng phép biến đổi Furrier trong phân tích phổ tín hiệu Buồng cổ góp An ten Tiền khuếch đại Khuếch đại chọn lọc Số hoá FFT Ch ẩ n đoán và hiện thị KQ Thiết bị chẩn đoán Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ chẩn đoán dựa trên phân tích FFT xung đánh lửa cổ góp 3.1. Thiết bị thu nhận số liệu Mỗi nan cổ góp tạo ra một xung điện từ. Tín hiệu được thu nhận qua anten từ, sau đó qua các bộ khuếch đại, lọc đầu vào và số hoá. Do phạm vi bài báo, cấu trúc hệ thống thu nhận số liệu không phân tích ở đây. 3.2. Phép biến đổi Furrier và thuật toán FFT cho tín hiệu Phép biến đổi Furrier tạo ra mối liên hệ giữa không gian thời gian và không gian tần số. Dãy của N số phức x 0 , , x N#1 được biến đổi thành chuỗi của N số phức X 0 , , X N#1 bởi công thức sau đây: ∑ π − = km N i2 nk exX k = 0, N-1 (1) là đơn vị ảo (i 2 = ới e là cơ sở của log tự nhiên, i - V 1), và π là pi. Phép biến đổi đôi khi được kí hiệu bởi F, hoặc X = F{x} hoặc F(x) hay Fx. Phép biến đổi này cho là ánh xạ từ không gian thời gian (t) sang không gian tần số (f). Sử dụng thuật toán biến đổi Furrier nhanh kiểu cánh bướm. Thuật toán này có những đặc điểm sau: 1. Tốc độ tính toán cao do tiết kiệm được phép tính so với thuật toán Furrier chuẩn. 2. Số điểm phân tích luôn là số 2 n : m = 2 n . 3. Miền tần số được quy chuẩn trong dải 0-1. 4. Phổ tín hiệu thực luôn có dạng miền (dải phổ), không phải phổ vạch. ĐT Do vậy, cửa số lấy mẫu luôn chọn là 2 n . Chọn cửa sổ phân tích: 500Hz, chọn cửa sổ mẫu = 512 mẫu = 2 9 . Cửa sổ mẫu: Với tần số lấy mẫu F M = Cửa số phân tích có 512 vạch, gồm 2 nửa đối xứng gương. Do vậy có 512/2 = 256 vạch có nghĩa ứng với tần số từ 0 đến F M /2. Bước tần số f = (F M /n) = 500/512 ~ 1Hz. Δ Khoảng có ý nghĩa từ vạch 0 đến vạch 256 = 0 - 500Hz. Phân tích kết quả: Phân tích sơ bộ có thể dựa trên năng lượng phổ trong mỗi dải: Trong không gian tần số, ứng với mỗi nguyên nhân đánh lửa, ta xác định được dải tần số đánh lửa min đến ω ω max cho mỗi nguyên nhân. Lấy tổng năng lượng trong dải để đánh giá mức độ đánh lửa của cổ góp. nếu năng lượng vượt quá giới hạn cho phép dẫn đến lỗi. Kiểm tra vạch phổ có năng lượng cao nhất để đánh giá nguyên nhân phát sinh đánh lửa dựa vào tần số tính toán tương ứng, hư hỏng của ĐCĐK các loại đầu máy đang khai thác ở Việt Nam (bảng 1) . Phân tích chi tiết hơn cần phải dựa vào vị trí xuất hiện của các vạch hài bậc nhất, bậc k và độ nhọn của vạch phổ để chẩn đoán nguyên nhân lỗi. 4. Thuật toán FFT cho phân tích phổ tín hiệu đánh lửa Bảng 1. Các hàm số biểu diễn hư hỏng của ĐCĐK theo tốc độ đầu máy V K và tại tốc độ cấu tạo TT Đầu máy Loại hư hỏng D12E D13E D16E 1 Nhô 01 phiến mi ca hoặc 01 phiến góp (Hz) - Tốc độ thử nghiệm V K - Tốc độ cấu tạo V K max 3,406.V K 272,47 3,551.V K 340,90 3,122.V K 249,78 2 Nhô k phiến mi ca hoặc k phiến góp, tốc độ thử nghiệm V k (Hz) 3,406.V K .k 3,551.V K .k 3,122.V K .k 3 Độ ô van vành góp vượt quá giá trị cho phép (Hz) 1,7026.V K 136,21 1,713.V K 170.45 1,561.V K 124,86 4 Bánh răng chủ động mẻ 01 răng (Hz) 0,43.V K 34,03 0,44.V K 42,61 0,39.V K 31,20 5 Bánh răng bị động mẻ 01 răng (Hz) 0,0884.V K 7,072 0.092.V K 8,79 0,0884.V K 7,072 6 Bánh răng bị động mẻ Z M L răng (Hz) 0,0884.V K . Z M L 0,092.V K . Z M L 0,0884.V K . Z M L 7 Vỡ chổi than (Hz) 8 Chạm chập, dòng dò quá lớn - Mức lớn - Mức lớn -Mức lớn 9 Đứt cuộn dây cực từ phụ (Hz) - Mức lớn - Mức lớn -Mức lớn III. KẾT LUẬN Các tác giả đã phân tích mối liên hệ giữa tín hiệu xung đánh lửa và các hư hỏng liên quan đến ĐCĐK đầu máy diezel truyền động điện. Tác giả cũng cũng đã đề ra phương pháp phân tích tín hiệu xung đánh lửa bằng biến đổi FFT và nguyên tắc phân tích số liệu. ĐT Phân tích tín hiệu trong không gian tần số cho phép phát hiện sớm những hỏng hóc liên quan đến động cơ điện kéo, ngay cả khi hiện tượng đánh lửa chưa đến mức nguy hiểm. Kết quả của bài báo được sử dụng trong thiết kế thiết bị đánh giá trạng thái kỹ thuật ĐCĐK và đề tài B2005-35-106. Tài liệu tham khảo [1]. Đỗ Đức Tuấn, Đỗ Việt Dũng (11.2000). Phương pháp xây dựng và phân tích mô hình chẩn đoán trạng thái kĩ thuật máy điện kéo trên đầu maý diesel – Tuyển tập công trình khoa học- Hội nghị KHCN – ĐHGTVT. [2]. Lê Bá Sơn, Đỗ việt Dũng (2002). Xây dựng hệ thống kiểm tra chất lượng các thiết bị giao thông vận tải - đầu máy diesel , Đề tài NCKH trọng điểm cấp Bộ GDĐT , ĐHGTVT. [3]. Đỗ Việt Dũng( 2002). Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo ghi và chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của một số thiết bị trong mạch điện đầu máy diesel” – Đề tài NCKH cấp bộ B2001-35-07. [4]. V.I. Bervinov (1999). Chẩn đoán kĩ thuật đầu máy - Moscova. [5]. I.F. Puskarev và các tác giả (2000). Kiểm tra và đánh giá trạng thái kĩ thuật đầu máy – Moscova - Transport. [6]. J. Marciniak (2000). Chẩn đoán kĩ thuật các phương tiện đường sắt- Warszwa- [7]. J. Marciniak(2001). Các thiết bị chẩn đoán và kĩ thuật máy tính với phương tiện đường sắt- Radom♦ . ÁP DỤNG PHÂN TÍCH FURRIER NHANH CHO BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN TRẠNG THÁI ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO ĐẦU MÁY DIEZEL TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN PGS. TS. ĐỖ VIỆT DŨNG Bộ môn Đầu máy – Toa xe ThS pháp phân tích FFT áp dụng cho tín hiệu xung đánh lửa cổ góp cho phép phát hiện sớm một số lỗi lỗi động cơ và truyền động. Bài báo trình bày phương pháp phân tích tín hiệu và chẩn đoán tình trạng. môn Trang bị điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Mọi hư hỏng của động cơ điện kéo và hệ thống truyền động của đầu máy diezel truyền động điện đều có ảnh