دانلود مقاله تشخيص خطاي سيم بندي استاتور با آناليز موجک و شبکه عصبي با فرمت ورد و در113 صفحه قابل ویرایش

فهرست

چکيده..........................................................1

مقدمه............................................................2

فصل اول: بررسي انواع خطا در ماشينهاي القايي و علل بروز و روشهاي تشخيص آنها

1-1-مقدمه..................................................3

1-2-بررسي انواع تنشهاي وارد شونده بر ماشين القايي..4

1-2-1-تنشهاي موثر در خرابي استاتور.......4

1-2-2- تنشهاي موثر در خرابي روتور.......5

1-3- بررسي عيوب اوليه در ماشينهاي القايي.................8

1-3-1- عيوب الکتريکي اوليه در ماشينهاي القايي........10

1-3-2- عيوب مکانيکي اوليه در ماشينهاي القايي..........17

فصل دوم: مدلسازي ماشين القايي با استفاده از تئوري تابع سيم پيچ

2-1-تئوري تابع سيم پيچ............................21

2-1-1-تعريف تابع سيم پيچ.......................21

2-1-2-محاسبه اندوکتانسهاي ماشين با استفاده از توابع سيم پيچ26

2-2-شبيه سازي ماشين القايي....................29

2-2-1- معادلات يک ماشين الکتريکي باm سيم پيچ استاتور و n سيم پيچ روتور...................................32

2-2-1-1-معادلات ولتاژ استاتور...............32

2-2-1-2- معادلات ولتاژ روتور................33

2-2-1-3- محاسبه گشتاور الکترومغناطيسي.................35

2-2-1-4- معادلات موتور القاي سه فاز قفس سنجابي در فضاي حالت...................................................36

2-3- مدلسازي خطاي حلقه به حلقه و خطاي کلاف به کلاف....44

فصل سوم: آناليز موجک و تئوري شبکه هاي عصبي

3-1-تاريخچه موجک ها.............................54

3-2-مقدمه اي بر خانواده موجک ها...........54

3-2-1-موجک هار.....................................55

3-2-2- موجک دابيشز................................55

3-2-3- موجک کوايفلت............................56

3-2-4- موجک سيملت..............................56

3-2-5- موجک مورلت...............................56

3-2-6- موجک مير.....................................57

3-3- کاربردهاي موجک...........................57

3-4- آناليز فوريه.......................................58

3-4-1- آناليز فوريه زمان-کوتاه................58

3-5-آناليز موجک......................................59

3-6- تئوري شبکه هاي عصبي...................69

3-6-1- مقدمه............................................69

3-6-2- مزاياي شبکه عصبي......................69

3-6-3-اساس شبکه عصبي.........................69

3-6-4- انواع شبکه هاي عصبي..................72

3-6-5-آموزش پرسپترونهاي چند لايه........76

فصل چهارم:روش تشخيص خطاي سيم بندي استاتور در ماشين القايي(خطاي حلقه به حلقه)

4-1- اعمال تبديل موجک...........................79

4-2- نتايج تحليل موجک............................81

4-3- ساختار شبکه عصبي...........................94

فصل پنجم: نتيجه گيري و پيشنهادات..

نتيجه گيري...........................................................97

پيشنهادات....................................................98

پيوست ها....................................................99

منابع و ماخذ

فارسي......................................................100

منابع لاتين.................................................101

چكيده لاتين..............................................105

 

قسمتی از متن مقاله

 

مقدمه:

موتورهاي الکتريکي نقش مهمي را در راه اندازي موثر ماشينها و پروسه هاي صنعتي ايفا مي کنند. بخصوص موتورهاي القايي قفس سنجابي را که بعنوان اسب کاري صنعت مي شناسند. بنابراين تشخيص خطاهاي اين موتورها مي تواند فوايد اقتصادي فراواني در پي داشته باشد. از جمله مديريت کارخانه هاي صنعتي را آسان مي کند، سطح اطمينان سيستم را بالا مي برد، هزينه تعمير و نگهداري پايين مي آيد و نسبت هزينه به سود بطور قابل توجهي کاهش مي يابد.

Bonnett و Soukup براي خرابيهاي استاتور موتورهاي القايي سه فاز قفس سنجابي، پنج حالت خرابي مطرح کرده اند که عبارت اند از: حلقه به حلقه، کلاف به کلاف، قطع فاز، فاز به فاز و کلاف به زمين[1]. براي موتورهاي قفس سنجابي، خرابيهاي سيم پيچي استاتور و ياتاقانها کل خرابيها به حساب مي آيند و همچنين اکثر خرابيهاي سيم پيچي استاتور موتور القايي از فروپاشي عايقي حلقه به حلقه ناشي مي شود]2[. برخي از محققين خرابيهاي موتور را چنين تقسيم بندي کرده اند: خرابي ساچمه ها ( ياتاقانها) %40-50، خرابي عايق استاتور %30-40 و خرابي قفسه روتور %5- 10 [3] که اگر خرابي حلقه به حلقه جلوگيري نشود، منجر به خطاي فاز به زمين يا فاز به فاز مي گردد، که خطاي فاز به زمين شديد تر است. در مقالات[4] [5] نظريه تابع سيم پيچي و کاربرد آن در آناليز گذرای موتورهاي القايي تحت خطا شرح داده شده است. از اين نظريه در مدلسازي خطاي حلقه به حلقه استاتور استفاده شده است. علاوه بر روشهاي فوق خطاي استاتور موتور القايي را مي توان به کمک بردارهاي فضايي مورد مطالعه قرار داد[6].

 

 

فصل اول :

بررسي انواع خطا در ماشينهاي القايي و علل بروز و روشهاي تشخيص آنها

1-1- مقدمه:

خرابيهاي يك موتور قفس سنجابي را مي توان به دو دسته الكتريكي و مكانيكي تقسيم ‌كرد.هر كدام از اين خرابيها در اثر عوامل و تنش هاي متعددي ايجاد مي گردند . اين تنشها در حالت كلي بصورت حرارتي ، مغناطيسي ، ديناميكي ، مكانيكي و يا محيطي مي باشند كه در قسمت هاي مختلف ماشين مانند محور ، بلبرينگ ، سيم پيچي استاتور ، ورقه هاي هسته روتور واستاتور و قفسه روتور خرابي ايجاد مي كنند. اكثر اين خرابيها در اثر عدم بكارگيري ماشين مناسب در شرايط كاري مورد نظر ، عدم هماهنگي بين طراح و كاربر و استفاده نامناسب از ماشين پديد مي آيد . در اين قسمت سعي گرديده است ابتدا انواع تنشهاي وارده بر ماشين ، عوامل پديد آمدن و اثرات آنها بررسي گردد .

قبل از بررسي انواع تنشهاي وارده بر ماشين القايي بايستي موارد زير در نظر گرفته شود :

1- با مشخص كردن شرايط كار ماشين مي توان تنشهاي حرارتي، مكانيكي وديناميكي را پيش بيني نمود و ماشين مناسب با آن شرايط را انتخاب كرد . به عنوان مثال ، سيكل كاري ماشين و نوع بار آن ، تعداد دفعات خاموش و روشن كردن و فاصله زماني بين آنها ، از عواملي هستند كه تاثير مستقيم در پديد آمدن تنشهاي وارده بر ماشين خواهند داشت .

2- وضعيت شبكه تغذيه ماشين از لحاظ افت ولتاژ در حالت دائمي و شرايط راه اندازي و ميزان هارمونيكهاي شبكه هم در پديد آمدن نوع تنش و در نتيجه پديد آمدن خرابي در ماشين موثر خواهند بود .

 

 

1-2- بررسي انواع تنشهاي وارد شونده بر ماشين القايي :

1-2-1- تنشهاي موثر در خرابي استاتور : ]1[

الف ـ تنشهاي گرمايي :اين نوع از تنشها را مي توان ناشي از عوامل زير دانست:

◄ سيكل راه اندازي : افزايش حرارت در موتورهاي القايي بيشتر هنگام راه اندازي و توقف ايجاد مي شود . يك موتور در طول راه اندازي ، پنج تا هشت برابر جريان نامي از شبكه جريان مي كشد تا تحت شرايط بار كامل راه بيفتد . بنابراين اگر تعداد راه اندازي هاي يك موتور در پريود كوتاهي از زمان زياد گردد دماي سيم پيچي به سرعت افزايش مي يابد در حالي كه يك موتور القايي يك حد مجاز براي گرم شدن دارد و هرگاه اين حد در نظر گرفته نشود آمادگي موتور براي بروز خطا افزايش مي يابد . تنشهايي كه بر اثر توقف ناگهاني موتور بوجود مي آيند به مراتب تاثير گذارتر از بقيه تنشها هستند .

◄ اضافه بار گرمايي : بر اثر تغييرات ولتاژ و همچنين ولتاژهاي نامتعادل دماي سيم پيچي افزايش مي يابد.

بنابر يك قاعده تجربي بازاي هر %2/1-3 ولتاژ فاز نامتعادل دماي سيم پيچي فاز با حداكثر جريان خود، 25% افزايش پيدا مي كند .

◄ فرسودگي گرمايي : طبق قانون تجربي با ºc10 افزايش دماي سيم پيچي استاتور عمر عايقي آن نصف مي شود. بنابراين اثر معمولي فرسودگي گرمايي ، آسيب پذيري سيستم عايقي است .

ب ـ تنشهاي ناشي از كيفيت نامناسب محيط كار : عواملي كه باعث ايجاد اين تنشهامي شود به صورت زير است :

◄رطوبت

 

 

◄ شيميايي

◄خراش ( سائيدگي)[1]

◄ ذرات كوچك خارجي

ج ـ تنشهاي مكانيكي : عواملي كه باعث ايجاد اين تنشها مي شوند به صورت زير مي باشند :

◄ ضربات روتور : برخورد روتور به استاتور باعث مي شود كه ورقه هاي استاتور عايق كلاف را از بين ببرد و اگر اين تماس ادامه داشته باشد نتيجه اين است كه كلاف در شيار استاتور خيلي زود زمين مي شود و اين به دليل گرماي بيش از حد توليد شده در نقطه تماس مي باشند .

◄ جابجايي كلاف : نيرويي كه بر كلافها وارد مي شود ناشي از جريان سيم پيچي است كه اين نيرو متناسب با مجذور جريان می باشد (F∝). اين نيرو هنگام راه اندازي ماكزيمم مقدار خودش را دارد و باعث ارتعاش كلافها با دو برابر فركانس شبكه و جابجايي آنها در هر دو جهت شعاعي و مماسي مي گردد.

1-2-2- تنشهاي موثر در خرابي روتور :

الف ـ تنشهاي گرمايي : عواملي كه باعث ايجاد اين نوع تنشها در روتور مي شود به صورت زير است:

◄ توزيع غير يكنواخت حرارت : اين مسئله اغلب هنگام راه اندازي موتور اتفاق مي افتد اما عدم يكنواختي مواد روتور ناشي از مراحل ساخت نيز ممكن است اين مورد رابه وجود آورد. راه اندازي هاي مداوم و اثر پوستي، احتمال تنشهاي حرارتي در ميله هاي روتور را زيادتر مي كنند .

◄جرقه زدن روتور : در روتورهاي ساخته شده عوامل زيادي باعث ايجاد جرقه در روتور مي شوند كه برخي براي روتور ايجاد اشكال نمي كنند ( جرقه زدن غير مخرب ) و برخي ديگر باعث بروز خطا مي شوند ( جرقه زدن مخرب ) . جرقه زدن هاي غير مخرب در طول عملكرد نرمال[2] موتور و بيشتر در هنگام راه اندازي رخ مي دهد .

◄ نقاط داغ و تلفات بيش از اندازه : عوامل متعددي ممكن است باعث ايجاد تلفات زيادتر و ايجاد نقاط داغ شوند . آلودگي ورقه هاي سازنده روتور يا وجود لكه بر روي آنها ، اتصال غير معمول ميله هاي روتور به بدنه آن ، فاصله متغير بين ميله ها و ورقة روتور و غيره مي تواند در مرحله ساخت موتور به وجود آيد .البته سازندگان موتور ، آزمايشهاي خاصي مانند اولتراسونيك را براي كاهش اين اثرات بكار مي برند.

ب ـ تنشهاي مغناطيسي : عواملي مختلفي باعث ايجاد اين تنشها بر روي روتور مي شوند همانند، عدم تقارن فاصله هوايي و شارپيوندي شيارها ، كه اين عوامل و اثرات آنها در زير مورد بررسي قرار داده شده است :

◄ نويزهاي الكترومغناطيسي : عدم تقارن فاصله هوايي ، علاوه بر ايجاد يك حوزه مغناطيسي نامتقارن باعث ايجاد مخلوطي از هارمونيكها در جريان استاتور و به تبع آن در جريان روتور مي گردد. اثرات متقابل هارمونيكهاي جريان ، باعث ايجاد نويز يا ارتعاش در موتور مي شوند . اين نيروها اغلب از نا همگوني فاصله هوايي بوجود مي آيند

◄ كشش نا متعادل مغناطيسي : كشش مغناطيسي نامتعادل باعث خميده شدن شفت روتور و برخورد به سيم پيچي استاتور مي شود. در عمل روتورها به طور كامل در مركز فاصله هوايي قرار نمي گيرند. عواملي همانند، گريز از مركز[3]، وزن روتور ، سائيدگي يا تاقانها و ... همگي بر قرار گيري روتور دورتر از مركز اثر مي گذارند .

 

◄ نيروهاي الكترومغناطيسي : اثر شار پيوندي شيارها ناشي از عبور جريان از ميله هاي روتور ، سبب ايجاد نيروهاي الكتروديناميكي مي شوند. اين نيروها با توان دوم جريان ميله ) ) متناسب و يكطرفه مي باشند و جهت آنها به سمتي است كه ميله را به صورت شعاعي از بالا به پائين جابجا مي كند . اندازه اين نيروهاي شعاعي به هنگام راه اندازي بيشتر بوده و ممكن است به تدريج باعث خم شدن ميله ها از نقطه اتصال آنها به رينگ هاي انتهايي گردند.

ج ـ تنشهاي ديناميكي : اين تنشها ارتباطي به طراحي روتور ندارند بلكه بيشتر به روند كار موتورهاي القايي بستگي دارند .

برخي از اين تنشها در ذيل توضيح داده مي شود :

◄ نيروهاي گريز از مركز[4] : هر گونه افزايش سرعت از حد مجاز ، باعث ايجاد اين نيروها مي شود و چون ژنراتورهاي القايي در سرعت بالاي سنكرون كار مي كنند اغلب دچار تنشهايي ناشي از نيروي گريز از مركز مي گردند .

◄گشتاورهاي شفت : اين گشتاورها معمولاً در خلال رخ دادن اتصال كوتاه و گشتاورهاي گذرا توليد مي شوند. اندازه اين گشتاورها ممكن است تا 20 برابر گشتاور بار كامل باشد .

د ـ تنشهاي مكانيكي : برخي از مهمترين خرابي هاي مكانيكي عبارتنداز :

◄ خميدگي شفت روتور

◄ تورق نامناسب و ياشل بودن ورقه ها

◄ عيوب مربوط به ياتاقانها

◄ خسارت ديدن فاصله هوايي

هـ ـ تنشهاي محيطي : همانند استاتور تنشهاي محيطي مختلفي، مي تواند بر روي روتور تاثير گذار باشد همانند رطوبت ، مواد شيميايي، مواد خارجي و غيره

 

1-3 – بررسي عيوب اوليه در ماشين هاي القايي : ]8[

در اين قسمت، عيوب و خطاهايي كه ممكن است در يك ماشين القايي پديد آيد بررسي گرديده و عوامل بوجود آورنده آنها و تا حدودي تشخيص اين خطاها مورد مطالعه قرار گرفته اند . عيوب به دو دسته، خطاهاي الكتريكي و مكانيكي تقسيم بندي شده اند البته ممكن است خطاهايي در اثر پديد آمدن هر دو نوع عيب الكتريكي و مكانيكي رخ دهد .

در حالت كلي خطاهاي بسيار مهمي كه در يك ماشين الكتريكي مي تواند اتفاق بيفتد به شرح ذيل است :

a: خطاي استاتور كه در نتيجه باز شدن يا اتصال كوتاه شدن يك تعداد زيادي از سيم پيچها در يك فاز استاتور ايجاد مي شود.

b: اتصال هاي نامناسب در سيم پيچي هاي استاتور

c: شكست ميله روتور يا شكست حلقه انتهايي روتور[5]

d: اختلالات[6] استاتيكي يا ديناميكي شكاف هوايي

e: خميدگي شفت[7] كه در نتيجه سائيدگي بين استاتور و روتور مي تواند ايجاد شود

f: خطاهاي گيربوكس و ياتاقانها

اين خطاها به وسيله يك يا چند تا از عواملي كه در زير آورده شده است مي تواند ايجاد شوند .

a : نامتعادل بودن ولتاژ و جريان خط فاصله هوايي

b : افزايش پالسهاي گشتاور

c : افزايش تلفات و كاهش در راندمان

d : گرمايشي خيلي زياد

 

روشهاي تشخيص، جهت خطاهايي كه در بالا گفته شد ، مستلزم انواع مختلفي از علوم و تكنولوژي ها است كه برخي از اين روشهاي تشخيص در زير آمده است .

a : روشهاي كنترلي ميدان الكترومغناطيسي، کويل مخصوص تشخيص خطا[8]

b : اندازه گيريهاي حرارتي

c : بازشناسي[9] مادون قرمز

d : روشهاي كنترلي ، انتشار فركانسي راديويي ( RF)

e : روشهاي كنترلي نوسان و نويز

f : اندازه گيريهاي نويز صوتي

h : آناليز اثر جريان موتور ( MCSA )[10]

J : مدل هوش مصنوعي[11] و تكنيكهايي بر مبناي شبكه هاي عصبي[12]

شكل ( 1-1 ) يك موتور القايي كه قسمتهاي مختلف آن از يكديگر مجزا شده است را نشان مي دهد. خطاهايي كه در بالا گفته شد در اين قسمتها ايجاد و گسترش مي يابند .

 

 

 

 

 

 

شكل 1-1: موتور القايي با ساختار مجزا شده از هم

1-3-1- عيوب الكتريكي اوليه در ماشينهاي القايي : در صورت پديد آمدن اين گونه عيب ، ماشين مي تواند به كار خود ادامه دهد و در صورت تشخيص ندادن به موقع اين خطا، ماشين به مرور زمان از بين خواهد رفت . البته اين موضوع بستگي به شدت وقوع خطا، در ماشين خواهد داشت و گاهي اوقات مشاهده مي گردد كه در اثر يكي از اين نوع خطاها، ماشين كاملاً از بين مي رود . عمده عيوب الكتريكي در ماشين در ذيل بيان شده است .

الف ـ خروج از مركزيت استاتور : با استفاده از طيف جريان الكتريكي استاتور و يا طيف ارتعاشات ناشي از لرزش موتور، مي توان اين عيب را تشخيص داد . بخاطر اينكه ميدان مغناطيسي در هر سيكل شبكه ، دو سيكل را طي مي كند . اكثر خطاهاي الكتريكي، معمولاً درهارمونيك دوم از فركانس شبكه بروز مي كنند . اين فركانس در هر دو نوع طيف الكتريكي و ارتعاشي قابل دسترسي مي باشند در شكل (1-2) اين موضوع نشان داده شده است .

دوبرابر فركانس منبع فركانس عبور قطب

 

شكل 1-2 : شماي قسمتي از موتور و فركانس عبور قطب

ب ـ خروج از مركزيت روتور : اين عيب در اثر عواملي مانند خرابي ياتاقانها، شل شدن هسته هاي روتور و غيره پديد مي آيند. خروج از مركزيت روتور، سبب ايجاد اندازه هاي ارتعاشي و الكتريكي در فركانسهاي دو برابر فركانس منبع با وجود باندهاي كناري ناشي از فركانس عبور قطب مي گردد . روابط زير ، فركانسهاي موجود در محيطهاي جريان الكتريكي استاتور را توصيف مي نمايند.

 

تعداد قطب × فركانس لغزش روتور = فركانس عبور قطب

سرعت روتور- سرعت سنكرون = سرعت لغزش روتور

سرعت روتور × تعداد هاديها = سرعت هاديهاي روتور

بنابراين بهترين روش جهت تشخيص اين گونه خطاها در ماشين ، استفاده از يك طيف موج فركانسي از جريان الكتريكي استاتور در اطراف فركانس چرخشي روتور مي باشد

 

ج ـ خطاهاي شكست ميله روتور و حلقه هاي انتهايي : ]9[

در سالهاي اخير، پيشرفتهاي قابل ملاحظه اي در زمينه ساخت و طراحي سيم بندي هاي استاتور بدست آمده است . از طرفي چون لازم است كه موتورهاي القايي در محيطهايي كه داراي گرد و خاك و فاسد كنندگي بالايي هستند نيز كار بكند ، لازمه كار كردن در چنين محيطهايي ، نيازمند توسعه وسيع در بهبود مواد عايقي و همچنين نحوه عملكرد اين ماشينها مي باشد . با اين وجود طراحي روتور قفسي و ساخت آن دستخوش تغييرات بسيار كمتري نسبت به استاتور شده است به همين دليل خطاهاي روتور هم اكنون درصد بسيار بالايي از خطاهايي كه در ماشين رخ مي دهد را شامل مي شود كه در حدود %10-5 از مجموع كل خطاها مي باشد. اكثريت خطاهايي كه در روتور يک موتور القايي سه فاز رخ مي دهد ، مربوط به شكست ميله هاي روتور و همچنين حلقه هاي انتهايي روتور است. در واقع شكست ميله روتور به عنوان يكي از خطاهاي اوليه در ماشين شناخته مي شوند و اين عيب باعث ايجاد خرابي بيشتر در موتور خواهد شد كه تشخيص اين نوع خطاها بسيار دشوار است .

همانطوريكه قبلاً گفته شد كلاس خرابي[13] روتور به گروهاي زير تقسيم بندي مي شوند :

1- شفت

2- ياتاقانها

3- ورقه ها

4- قفس سنجابي

5- سيستم تهويه

6- استاتور

7- هر تركيبي از موارد بالا

و همچنين الگوي خرابي در روتور نيز به گروهاي زير طبقه بندي مي شود كه به تنشهايي گوناگون عمل كننده روي ماشين ارتباط داده مي شوند :

1- گرمايي

2- مغناطيسي

3- ديناميكي

4- مكانيكي

5- محيطي

قفس هاي روتور در 2 نوع مجزا مي باشند.

a : نوع ريخته شده

b : نوع نوع ساختگي

قبلاً موتورهاي با قفس ريخته شده در ماشينهاي كوچك مورد استفاده قرار مي گرفته است . در حال حاضر ماشينهايي با اين نوع قفس مي توانند تا رنج kw 3000 مورد استفاده قرار گيرند. قفس روتور نوع ساختگي اغلب در ماشينهاي با كاربرد ويژه و رنج وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند . با اين حال روتورهاي از نوع ساختگي بسيار بيشتر از نوع ريخته شده دچار شكست روتور و همچنين حلقه انتهاييمي شوند. به عبارت ديگر تعمير كردن شكست هاي مربوط به روتور نوع ريخته شده بسيار دشوارتر و مشكل تر از نوع ساختگي مي باشد. زماني كه يك ميله اي دچار شكست شود ، به دليل

 

افزايش استرس هاي ناشي از اين شكست، ميله هاي كناري نيز تحت تاثير قرار مي گيرند و به تدريج وضعيت اين ميله ها نيز بدتر مي شوند.

براي جلوگيري از چنين فرايند مخرب تجمعي ( يكجا ) عيوب ايجاد شده بايد به سرعت تشخيص داده شوند، در همان مراحلي كه محور شروع به ترك خوردن مي كند. مطالعات آزمايشگاهي جهت تشخيص خطاهاي ميله روتور بسيار گران قيمت است و ممكن است باعث خسارات جبران ناپذيري به روتور شود . بنابراين وجود روشي بر مبناي ايجاد يك مدل با استفاده از تاج سيم پيچي جهت شبيه سازي خطاهاي در ارتباط با ميله روتور و همچنين درجات مختلفي از شكست ميله، بسيار لازم و ضروري است.

تكنيكهاي مختلفي جهت تعيين شكستگيهاي ميله روتور به طور خلاصه در ذيل آورده شده است :

a : آناليز ولتاژ القايي در حوزه زمان و فركانس در بوبين هاي مخصوص تشخيص خطا كه به طور ذاتي در اطراف نوك دانه استاتور و همچنين يوغ قرار گرفته است

b : آناليز در حوزه زمان و فركانس شار محور كه به وسيله بوبين های مخصوص تشخيص خطای خارجي در اطراف محور ماشين كنترل مي شود

c : آناليز طيف جريان خط ماشين ، يا آناليز اثر جريان موتور ( McsA )

d : آناليز هارمونيكهاي گشتاور و سرعت موتور

e : تخمين پارامتر

كه از ميان اين روشها ، روشي McsA يكي از مهمترين روشهائي است كه جهت تشخيص خطاي شكست ميله و حلقه انتهايي روتور مورد استفاده قرار مي گيرد .در اين روش از سيم بندي استاتور به عنوان بوبين تشخيص خطا استفاده مي شود. به علاوه اين روش به وسيله انواع بارها و همچنين ساير نامتقارينهاي موجود تحت تاثير قرار نمي گيرد. شكست ميله سبب مي شود كه مولفه هاي طيف در شار شكاف هوايي كه از رابطه (1-1) بدست مي آيد افزايش يابد .

 

(1- 1)

f(b) : فركانس قابل تعيين در خطاي شكست ميله روتور

k : شاخص هارمونيك ( ... ، 3 ، 2 ، 1K = )

P : تعداد جفت قطبهاي اصلي در موتور

s : لغزش

روشهاي المان محدود نيز جهت مدل كردن اين نوع از خطاها مورد استفاده قرار مي گيرند .

د ـ خطاهاي استاتور :

خطاهاي استاتور معمولاً مربوط به خطاهاي عايقي هستند . در اصطلاح، اين خطاها به صورت خطاهاي فاز به فاز و فاز به زمين شناخته شده است . اعتقاد بر اين است كه اين خطاها در ابتدا با خطاي حلقه به حلقه شروع شده كه در نهايت گسترش مي يابد و باعث ايجاد بقيه خطاها در ماشين مي شود. تشخيص خطاي حلقه به حلقه معمولاً بسيار مشكل است. تقريباً حدود % 40-30 از خطاهايي كه در ماشينهاي القايي گزارش شده است در اين طبقه قرار دارند .براي پي بردن به علت واقعي خرابي ماشين روش آناليز خرابيهاي ماشين پيشنهاد مي شود.

گام هاي اساسي آناليز عبارت اند از :

1- پيدا كردن كلاس يا مد خرابي[14]

2- پيدا كردن نوع يا الگوي خرابي[15]

3- بررسي شكل و مشخصات ظاهري موتور

4- دانستن شرايط عملكرد موتور در زمان بوجود آمدن خرابي

5- دانستن سابقه تعمير و نگهداري موتور و كاربرد آن

اگر هر كدام از اين گامها حذف شود يعني در نظر گرفته نشود به يك نتيجه غلط از علت واقعي خرابي مي رسيم. از اين رو مشكل بوجود آمده برطرف نمي شود و خرابي هايي از همان نوع در آينده بدون شك رخ خواهد داد . كلاس يا مد خرابي موقعيت خطا را مشخص مي كند ، يعني بيان مي كند كه خطا در كدام قسمت از موتور رخ داده است . الگو يا نوع خرابي ، نوع خطا را مشخص مي كند . در سيم پيچي استاتور پنج مد خرابي مطرح مي شود كه عبارت اند از حلقه به حلقه ، كلاف به كلاف ، قطع فاز ، فاز به فاز ، و كلاف به زمين ، در شكل زير براي يك سيم پيچي اتصال ستاره، دو تا از اين مدها نشان داده شده است .

(الف) (ب)

شكل 1-3 : (الف) اتصال كوتاه كلاف به كلاف بين نقاط a , b (ب) خطاي فاز به فاز

الگوهاي خرابي براي سيم پيچي استاتور به 4 گروه تقسيم مي شود :

1- متقارن

2- تك فازه

3- نامتقارن به همراه زمين شدن

4- خطاهاي نامتقارن گوناگون به استثناي زمين شدن

 

جهت رسيدن به تشخيص صحيحي از خطا بايستي مد خرابي و الگوي خرابي با هم در نظر گرفته شود. اين الگوي خرابي است كه بيشتر بر علت خرابي دلالت دارد . مثلاً ممكن است در چندين موتور، مد خرابي حلقه به حلقه باشد، اما الگوي خرابي براي هر كدام متفاوت باشد، چون علت خرابي براي هركدام متفاوت است.

روشها و تكنيكهاي مختلفي جهت تعيين خطاهاي استاتور وجود دارد . براي ژنراتورها و موتورهاي بزرگ با سيم بندي استاتور kv4 و بالاتر روشهاي تست تخليه جزئي[16] on – Line استفاده مي كنند كه داراي قابليت اطمينان بسيار بالايي است . حتي دستگاههاي اندازه گيري قابل حمل[17] نيز براي چنين هدفهايي وجود دارند. براي موتورهاي با ولتاژ پايين، روشهاي تعيين خطاي استاتور به صورت استاندارد شده وجود دارد، كه قادر هستند خطاهاي حلقه به حلقه را به وسيله آناليز مولفه شار محوري در يك ماشين، كه داراي بوبين هاي متحد المركز بزرگ در دو طرف شفت هستند را تعيين بكنند . Toliyat در ]4 [ از طريق مدلسازي و آزمايش نشان داده است كه اين خطاها در نتيجه عدم تقارن در امپدانس ماشين است، كه سبب مي شود جريان در فازها به صورت نامتعادل باشد، و اين در نتيجه جريانات متوالي منفي كه در خطوط جاري هستند ناشي مي شود. با اين وجود جريانات متوالي منفي باعث نامتعادل شدن ولتا‍‍ژها، اشباع ماشين و غيره مي شود .

روش ديگري كه براي تعيين اين نوع از خطاها استفاده مي شود، روش MCSA است .اين روش مي تواند مولفه هاي قابل قبولي را از جريانهاي خطي حالت ثابت، با وجود حلقه هاي اتصال كوتاه شده در استاتور ايجاد بكند . عيب مهمي كه اين روش دارد اين است كه ، مي تواند تحت تاثير نامتعادلي هاي ولتاژ نيز قرار گيرد. روش مناسبي كه در ادامه بررسي خواهيم كرد، تحت تاثير نامتعادلي هاي ولتاژ قرار نمي گيرد و حساسيت كمتري براي هارمونيك هاي زماني موجود دارند . اين روش بر مبناي حوزه فركانس است كه جهت تعيين خطاهاي اوليه در inter-turn استاتور مورد

استفاده قرار مي گيرد. در اين روش ولتاژ خط به خط ماشين به جاي جريان خط ، جهت كنترل مولفه هاي فركانسي، بلافاصله بعد از اينكه ماشينswitched-off شد مورد استفاده قرار مي گيرد. هنگامي كه شار ماشين كاملاٌ سينوسي باشد ، حتي زماني كه محركهاي حالت جامد مورد استفاده قرار مي گيرد اين روش ها بر خلاف MCSA نتايج بسيار خوبي خواهد داد .

هارمونيك ها در ولتاژهاي خط به خط با استفاده از فرمول (1-2) بدست مي آيد كه با مقدار K=1 بهترين قابليت تشخيص را خواهد داشت .

(1-2) , k =1,2,3,…… r شيارهاي روتور مي باشد.هنگامي كه ماشين به وسيله يك محرك سرعت قابل تنظيم تغذيه شده باشد ؛ استفاده از اين روش مشخصات مطلوب بسيار زيادي را جهت تعيين خطاي ايجاد شده به ما خواهد داد .

ه- ضعيف شدن وضعيت ايزولاسيون سيم پيچي ها : در اثر پديد آمدن اين عيب ممكن است سيم پيچي ماشين بسوزد . بنابراين نمي توان اين عيب را به عنوان يكي از خطاهاي اوليه در ماشين در نظر گرفت ولي اين عيب نيز بر حسب شدت ضعيف شدن ايزولاسيون موتورقابل تشخيص است .

1-3-2 عيوب مكانيكي اوليه در ماشينهاي القايي :

اين عيوب را مي توان به دو دسته تقسيم بندي كرد : دسته اول عيوبي هستند كه ناشي از اثرات مكانيزم متصل به روتور مي باشند و در اثربار متصل به موتور، بر روي ماشين ظاهر مي گردند. تشخيص اين عيوب در مكانيزم اتصالي به موتور، در بهبود كاري موتور تاثير بسزايي خواهد داشت. عمده عيوب موجود عبارت اند از : ناهم محوري موتور با بار متصل به آن ، خمش شفت و ...

دسته دوم از عيوب مكانيكي، مسائلي هستند كه ناشي از خود موتور مي باشد . با جداسازي موتور از مكانيزم نيز، اين عيوب مشاهده مي گردند . عمده عيوب موجود عبارت اند از خرابي ياتاقانها ، نامتقارني روتور و ...

الف ) خطاهاي ياتاقان : اكثر ماشينهاي الكتريكي داراي ساچمه ها و يا عناصر غلطنده در ياتاقانها مي باشند. هر يك از ياتاقانها شامل دو حلقه كه يكي در داخل و ديگري در بيرون قرار دارند. يك دسته از ساچمه ها يا عناصر غلطنده، در جدار ياتاقانها در بين اين حلقه ها قرار گرفته اند . حتي در شرايط عادي و با بارهاي متعادل نيز خطاهاي خستگي و فرسودگي در ماشين ممكن است اتفاق بيفتد. اين خطاها ممكن است كه منجر به افزايش نوسانات وسطوح پارازيتها و نويزها شوند .

به غير از فشارها و استرس هاي ناشي از عملكردهاي داخلي ماشين در حالت عادي كه به دليل ، نوسانات و خروج از مركزهاي ذاتي است ، ياتاقانها ممكن است توسط عوامل خارجي بسيار زيادي از بين بروند همانند :

◄ آلودگي ها ، زنگ زدگيها ، خوردگيها به وسيله خواص خورندگي كه آب ، اسيد و غيره دارند .

◄ روغن كاريهاي نامناسب ، كه شامل روغنكاريهاي حلقه بيروني و حلقه دروني ياتاقانها مي باشد كه سبب گرم كنندگي و خراشيدگي سطوح مي شود .

تقريباٌ حدود %50-40 از خطاهاي ايجاد شده در ماشين هاي الكتريكي در ارتباط با ياتاقانها مي باشد . اين نوع از خطاها معمولاً توسط خطاهاي وابسته به خروج از مركز، پوشش داده مي شوند . به عبارت ديگر خطاهاي وابسته به بلبرينگ ها مي توانند، همانند خطاهاي قاب ياتاقان بيروني، خطاهاي قاب ياتاقان دروني و خطاهاي ساچمه ها طبقه بندي شوند، كه فركانسهاي نوساني جهت تشخيص اين خطاها به صورت زير بدست مي آيد.

(1-3) براي يك خطاي قاب ياتاقان بيروني (Hz)=(N/2) fr cos/

(Hz)=(N/2) fr cos/ (1-4) براي يك خطاي قاب ياتاقان دروني(Hz)=(1-5) برای خطای ساچمه ها

كه در اين معادلات fr فركانسي چرخشي ، N تعداد ساچمه ها ، گام قطري گلوله ها ، زاويه تماس ساچمه ها (‌با جدار قاب ياتاقان ) ، قطر ساچمه هامی باشد.

در مرجع ] 7 [Yazici يك روش فركانس ـ زمان آماري را جهت تعيين خطاهاي ياتاقان بيان كرده است.

ب) نامتقارني روتورماشين القايي :

نامتقارني مشكل عمده و مشترك قطعات دوّار است . ارتعاشات ناشي از نامتقارني محور عمدتاً ارتعاشات در جهت شعاعي بروي بلبرينگ هاي موتور مي باشند . مشكل نامتقارني در موتور، بيشتر به علت نامتقارني در فن خنك كننده آن و يا نامتقارني به علت تعميرات سيم پيچي و يا هسته روتور مي باشد .نامتقارني اجزاء گردنده به دو نوع استاتيكي و ديناميكي تقسيم بندي مي شوند.

◄ نامتقارني استاتيكي : در اين نوع نامتقارني سراسر قسمت دوار داراي تراكم جرم در يك نقطه مي باشد و معمولاً با اندازه گيري ارتعاشات روي دو ياتاقان ديده مي شود، كه اندازه ارتعاشات ياتاقانها در راستاي شعاعي داراي فاز يكساني خواهند بود .

◄ نامتقارني ديناميكي : در اين نوع نامتقارني ، قسمت دوّار داراي تراكم جرم در نقاط مختلف مي باشند در اثر عدم همگن بودن جرم ، يك گشتاور ديناميكي در محور روتور پديد مي آيد . لذا اندازه گيريهاي ارتعاشي روي دو ياتاقان نشان مي دهد كه ارتعاشات در راستاي شعاي داراي اختلاف فازي معادل 180 درجه خواهند بود .

ج ) ناهم محوري موتور با بار متصل به آن :

ناهم محوري از جمله عيوبي است كه ناشي از اثرات اتصال نادرست بار به ماشين مي باشد، که بر روي موتور اثرات مخرب زيادي پديد مي آورد. ناهم محوري در كوپلينگ تجهيزات دواربه صورتهاي زير تقسيم بندي مي گردد :

1- ناهم راستايي سطحي : اين نوع از ناهم محوري در اثر اختلاف ارتفاع موتور و بار پديد مي آيد.

2- ناهم راستايي زاويه اي : اين نوع از ناهم محوري در اثر اختلاف زاويه در محور موتور و بار پديد مي آيد.

3- ناهم راستايي سطحي زاويه اي : اين نوع از ناهم محوري در اثر هر دو عامل بالا پديد مي آيد .

موارد فوق هر كدام به تفكيك قابل تشخيص مي باشند .

قابل ذكر است كه ناهم محوري، هارمونيك غالبي بر روي طيف ارتعاشات دوياتاقان در فركانس چرخش روتور پديد مي آورد. هر چند بسته به نوع نا هم محوري ، اين هارمونيك ممكن است از لحاظ اندازه تغيير كند . بالا بودن هارمونيك اول طيف ارتعاشات ، هم نشانگر نامتقارني و هم نشانگر ناهم محوري مي باشد. لذا جهت تشخيص اينكه كداميك از معايب مذكور در سيستم موجود است ، لازم است يك آناليز فاز هم صورت پذيرد، بصورتي كه اگر در سيستم ناهم محوري سطحي موجود باشد در اين صورت با اندازه گيري ارتعاشات بر روي ياتاقان موتور و ياتاقان سيستم دوار ( پروانه، كمپرسور و ...) ديده مي شود كه ارتعاشات شعاعي داراي اختلاف فازي معادل 180 درجه مي باشد و هارمونيك دوم طيف ارتعاشات نيز مقدار بالايي خواهند داشت .

اگر ناهم محوري سيستم به صورت زوايه اي باشد در اين حالت نيز با اندازه گيري ارتعاشات بر روي دو ياتاقان ديده مي شود كه ارتعاشات محوري داراي اختلاف فازي معادل صفر درجه خواهد بود و هارمونيك هاي اول ، دوم ، سوم طيف ارتعاشات در فركانس چرخش روتور مقدار بالايي خواهند داشت.

 

Abrasion -1

[2]- عملکرد نرمال تعريف مي شود به صورت هر موتوري که در معرض افت ولتاژ، تغيير بار (نوسانات بار)، اغتشاشات سوئيچينگ و غيره قرار مي گيرد.

-