پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته برق(M. Sc)

گرایش: قدرت

چکیده:

در این پایان نامه ابتدا عیوب الکتریکی و مکانیکی در ماشینهای الکتریکی بررسی گردیده و عوامل به وجود آورنده و روشهای رفع این عیوب بیان شده است. به دنبال آن، به کمک روش تابع سیم پیچی ماشین شبیه سازی و خطای مورد نظر یعنی خطای سیم بندی استاتور به آن اعمال و نتایج مورد بررسی قرار داده شده است. پارامتر اصلی که برای تشخیص خطا در این پایان نامه استفاده کرده ایم، جریان سه فاز استاتور در حالت سالم و خطادار، تحت بارگذاری های مختلف خواهد بود.

سپس اثر شیارهای استاتور و روتور بر رفنار ماشین القایی با تابع فاصله هوای معکوس به شکل واقعی خود مورد استفاده قرار میگیرد. سپس چگونگی اعمال اثر شیارهای استاتور و روتور در روش تابع سیم پیچ بیان شده و نحوی محاسبه ماتریسهای اندوکتانس خودی و متقابل استاتور و روتورو ماتریسهای مشتق اندوکتانس با وجود شیارهای استاتور و روتور در چهار حالت مورد بررسی قرار می­گیرد. سپس اعمال خطای سیم بندی استاتور بااثر شیارهای استاتور و روتور مورد بررسی قرار می­گیرد و در نهایت نتایج بدست آمده با هم مقایسه می­شود.

با توجه به مطالب اشاره شده نتیجه می شود که با تشخیص به موقع هر کدام از عیوب اوّلیه در ماشین القایی می توان از پدید آمدن حوادث ثانویّه که منجر به وارد آمدن خسارات سنگین می گردد، جلوگیری نمود. در این راستا سعی شده است که با تحلیل، بررسی و تشخیص یکی از این نمونه خطاها، خطای سیم بندی استاتور یک موتور القایی قفس سنجابی، گامی موثر در پیاده سازی نظام تعمیراتی پیشگویی کننده برداشته شود و با بکارگیری سیستم های مراقبت وضعیت بروی چنین ماشینهایی از وارد آمدن خسارات سنگین بر صنایع و منابع ملی جلوگیری گردد.

مقدمه:

موتورهای  الکتریکی نقش مهمی را در راه اندازی موثر ماشینها و پروسه های صنعتی ایفا می کنند. بخصوص موتورهای القایی قفس سنجابی را که بعنوان اسب کاری صنعت می شناسند. بنابراین تشخیص خطاهای این موتورها می تواند فواید اقتصادی فراوانی در پی داشته باشد. از جمله مدیریت کارخانه های صنعتی را آسان می کند، سطح اطمینان سیستم را بالا می برد، هزینه تعمیر و نگهداری پایین می آید و نسبت هزینه به سود بطور قابل توجهی کاهش می یابد.

Bonnett وSouk up برای خرابیهای استاتور موتورهای القایی سه فاز قفس سنجابی، پنج حالت خرابی مطرح کرده­اند که عبارت اند از: حلقه به حلقه، کلاف به کلاف، قطع فاز، فاز به فاز و کلاف به زمین[1]. برای موتورهای قفس سنجابی، خرابیهای سیم پیچی استاتور و یاتاقانها   کل خرابیها به حساب می آیند و همچنین اکثر خرابیهای سیم پیچی استاتور موتور القایی از فروپاشی عایقی حلقه به حلقه ناشی می شود.[2] برخی از محققین خرابیهای موتور را چنین تقسیم بندی کرده اند: خرابی  ساچمه ها ( یاتاقانها) %40-50، خرابی عایق استاتور %30-40 و خرابی قفسه روتور %5- 10 [3] که اگر خرابی حلقه به حلقه جلوگیری نشود، منجر به خطای فاز به زمین یا فاز به فاز می گردد، که خطای فاز به زمین شدید تر است. در مقالات[4] [5] نظریه تابع سیم پیچی و کاربرد آن در آنالیز گذرای موتورهای القایی تحت خطا شرح داده شده است. از این نظریه در مدلسازی خطای حلقه به حلقه استاتور استفاده شده است. علاوه بر روشهای فوق خطای استاتور موتور القایی را می توان به کمک بردارهای فضایی مورد مطالعه قرار داد[6].

مقدمه:[7]

خرابیهای یک موتور قفس سنجابی را می توان به دو دسته الکتریکی و مکانیکی تقسیم ‌کرد.هر کدام از این خرابیها در اثر عوامل و تنش های متعددی ایجاد می گردند. این تنشها در حالت کلی بصورت حرارتی، مغناطیسی، دینامیکی، مکانیکی و یا محیطی می باشند که در قسمت های مختلف ماشین مانند محور، بلبرینگ، سیم پیچی استاتور ، ورقه های هسته روتور واستاتور و قفسه روتور خرابی ایجاد می­کنند. اکثر این خرابیها در اثر عدم بکارگیری ماشین مناسب در شرایط کاری مورد نظر، عدم هماهنگی بین طراح و کاربر و استفاده نامناسب از ماشین پدید می­آید. در این قسمت سعی گردیده است ابتدا انواع تنشهای وارده بر ماشین، عوامل پدید آمدن و اثرات آنها بررسی گردد.

قبل از بررسی انواع تنشهای وارده بر ماشین القایی بایستی موارد زیر در نظر گرفته شود :

1- با مشخص کردن شرایط کار ماشین می توان تنشهای حرارتی، مکانیکی و دینامیکی را پیش بینی نمود و ماشین مناسب با آن شرایط را انتخاب کرد. به عنوان مثال ، سیکل کاری ماشین و نوع بار آن ، تعداد دفعات خاموش و روشن کردن و فاصله زمانی بین آنها ، از عواملی هستند که تاثیر مستقیم در پدید آمدن تنشهای وارده بر ماشین خواهند داشت.

2- وضعیت شبکه تغذیه ماشین از لحاظ افت ولتاژ در حالت دائمی و شرایط راه اندازی و میزان هارمونیکهای شبکه هم در پدید آمدن نوع تنش و در نتیجه پدید آمدن خرابی در ماشین موثر خواهند بود.

1-2- بررسی انواع تنشهای وارد شونده بر ماشین القایی:

1-2-1- تنشهای موثر در خرابی استاتور:[1.7]

الف تنشهای گرمایی :این نوع از تنشها را می توان ناشی از عوامل زیر دانست:

◄ سیکل راه اندازی: افزایش حرارت در موتورهای القایی بیشتر هنگام راه اندازی و توقف ایجاد  می­شود. یک موتور در طول راه اندازی، پنج تا هشت برابر جریان نامی از شبکه جریان می کشد تا تحت شرایط بار کامل راه بیفتد. بنابراین اگر تعداد راه اندازی های یک موتور در پریود کوتاهی از زمان زیاد گردد دمای سیم پیچی به سرعت افزایش می یابد در حالی که یک موتور القایی یک حد مجاز برای گرم شدن دارد و هرگاه این حد در نظر گرفته نشود آمادگی موتور برای بروز خطا افزایش می یابد. تنشهایی که بر اثر توقف ناگهانی موتور بوجود می آیند به مراتب تاثیر گذارتر از بقیه تنشها هستند.

◄ اضافه بار گرمایی:  بر اثر تغییرات ولتاژ و همچنین ولتاژهای نامتعادل دمای سیم پیچی افزایش می یابد.

بنابر یک قاعده تجربی بازای هر  %2/1-3 ولتاژ فاز نامتعادل دمای سیم پیچی فاز با حداکثر جریان خود، 25% افزایش پیدا می کند .

◄ فرسودگی گرمایی: طبق قانون تجربی با ºc10 افزایش دمای سیم پیچی استاتور عمر عایقی آن نصف  می شود. بنابراین اثر معمولی فرسودگی گرمایی ، آسیب پذیری سیستم عایقی است.

ب تنشهای ناشی از کیفیت نامناسب محیط کار : عواملی که باعث ایجاد این تنشهامی شود به صورت زیر است:

رطوبت

شیمیایی 

خراش ( سائیدگی)[1]

ذرات کوچک خارجی

ج تنشهای مکانیکی: عواملی که باعث ایجاد این تنشها می شوند به صورت زیر می باشند:

◄ ضربات روتور: برخورد روتور به استاتور باعث می شود که ورقه های استاتور عایق کلاف را از بین ببرد و اگر این تماس ادامه داشته باشد نتیجه این است که کلاف در شیار استاتور خیلی زود زمین  می­شود و این به دلیل گرمای بیش از حد تولید شده در نقطه تماس می باشند.

◄ جابجایی کلاف: نیرویی که بر کلافها وارد می شود ناشی از جریان سیم پیچی است که این نیرو متناسب با مجذور جریان می باشد ( F∝ ). این نیرو هنگام راه اندازی ماکزیمم مقدار خودش را دارد و باعث ارتعاش کلافها با دو برابر فرکانس شبکه و جابجایی آنها در هر دو جهت شعاعی و مماسی می­گردد.

1-2-2- تنشهای موثر در خرابی روتور :

الف تنشهای گرمایی: عواملی که باعث ایجاد این نوع تنشها در روتور می شود به صورت زیر است:

◄ توزیع غیر یکنواخت حرارت: این مسئله اغلب هنگام راه اندازی موتور اتفاق می افتد اما عدم یکنواختی مواد روتور ناشی از مراحل ساخت نیز ممکن است این مورد رابه وجود آورد. راه اندازی های مداوم و اثر پوستی، احتمال تنشهای حرارتی در میله های روتور را زیادتر می کنند.

◄جرقه زدن روتور: در روتورهای ساخته شده عوامل زیادی باعث ایجاد جرقه در روتور می­شوند که برخی برای روتور ایجاد اشکال نمی­کنند(جرقه زدن غیر مخرب) و برخی دیگر باعث بروز خطا می شوند(جرقه زدن مخرب ). جرقه زدن­های غیر مخرب در طول عملکرد نرمال[2] موتور و بیشتر در هنگام راه اندازی رخ می­دهد .

◄ نقاط داغ و تلفات بیش از اندازه : عوامل متعددی ممکن است باعث ایجاد تلفات زیادتر و ایجاد نقاط داغ شوند. آلودگی ورقه های سازنده روتور یا وجود لکه بر روی آنها، اتصال غیر معمول میله های روتور به بدنه آن، فاصله متغیر بین میله ها و ورقه روتور و غیره می تواند در مرحله ساخت موتور به وجود آید. البته سازندگان موتور، آزمایشهای خاصی مانند اولتراسونیک را برای کاهش این اثرات بکار می­برند.

ب تنشهای مغناطیسی: عواملی مختلفی باعث ایجاد این تنشها بر روی روتور می شوند همانند، عدم تقارن فاصله هوایی و شارپیوندی شیارها، که این عوامل و اثرات آنها در زیر مورد بررسی قرار داده شده است:

◄ نویزهای الکترومغناطیسی : عدم تقارن فاصله هوایی، علاوه بر ایجاد یک حوزه مغناطیسی نامتقارن باعث ایجاد مخلوطی از هارمونیکها در جریان استاتور و به تبع آن در جریان روتور می گردد. اثرات متقابل هارمونیکهای جریان، باعث ایجاد نویز یا ارتعاش در موتور می شوند. این نیروها اغلب از نا همگونی فاصله هوایی بوجود می­آیند

◄ کشش نا متعادل مغناطیسی: کشش مغناطیسی نامتعادل باعث خمیده شدن شفت روتور و برخورد به سیم پیچی استاتور می شود. در عمل روتورها به طور کامل در مرکز فاصله هوایی قرار  نمی­گیرند. عواملی همانند، گریز از مرکز[3]، وزن روتور، سائیدگی یا تاقانها و ... همگی بر قرار گیری روتور دورتر از مرکز اثر  می گذارند.

◄ نیروهای الکترومغناطیسی: اثر شار پیوندی شیارها ناشی از عبور جریان از میله های روتور، سبب ایجاد نیروهای الکترودینامیکی می شوند. این نیروها با توان دوم جریان  میله(  )  متناسب و یکطرفه  می­باشند و جهت آنها به سمتی است که میله را به صورت شعاعی از بالا به پائین جابجا می کند. اندازه این نیروهای شعاعی به هنگام راه اندازی بیشتر بوده و ممکن است به تدریج باعث خم شدن میله ها از نقطه اتصال آنها به رینگ­های انتهایی گردند.

ج تنشهای دینامیکی: این تنشها ارتباطی به طراحی روتور ندارند بلکه بیشتر به روند کار موتورهای القایی بستگی دارند.

برخی از این تنشها در ذیل توضیح داده می­شود:

نیروهای گریز از مرکز[4] : هر گونه افزایش سرعت از حد مجاز، باعث ایجاد این نیروها می­شود و چون ژنراتورهای القایی در سرعت بالای سنکرون کار می کنند اغلب دچار تنشهایی ناشی از نیروی گریز از مرکز می­گردند.

گشتاورهای شفت:  این گشتاورها معمولاً در خلال رخ دادن اتصال کوتاه و گشتاورهای گذرا تولید می شوند. اندازه این گشتاورها ممکن است تا 20 برابر گشتاور بار کامل باشد .

د تنشهای مکانیکی: برخی از مهمترین خرابی های مکانیکی عبارتنداز:

خمیدگی شفت روتور

تورق نامناسب و یاشل بودن ورقه ها

عیوب مربوط به یاتاقانها

خسارت دیدن فاصله هوایی   

ه تنشهای محیطی : همانند استاتور تنشهای محیطی مختلفی، می تواند بر روی روتور تاثیر گذار باشد همانند رطوبت، مواد شیمیایی، مواد خارجی و غیره

1-3 – بررسی عیوب اولیه در ماشین های القایی : [8و7]

در این قسمت، عیوب و خطاهایی که ممکن است در یک ماشین القایی پدید آید بررسی گردیده و عوامل بوجود آورنده آنها و تا حدودی تشخیص این خطاها مورد مطالعه قرار گرفته اند . عیوب به دو دسته، خطاهای الکتریکی و مکانیکی تقسیم بندی شده اند البته ممکن است خطاهایی در اثر پدید آمدن هر دو نوع عیب الکتریکی و مکانیکی رخ دهد .

در حالت کلی خطاهای بسیار مهمی که در یک ماشین الکتریکی می تواند اتفاق بیفتد به شرح ذیل است :

خطای استاتور که در نتیجه باز شدن یا اتصال کوتاه شدن یک تعداد زیادی از سیم پیچها در یک فاز استاتور ایجاد می شود.

اتصال های نامناسب در سیم پیچی های استاتور

شکست میله روتور یا شکست حلقه انتهایی روتور[5]

اختلالات[6] استاتیکی یا دینامیکی شکاف هوایی

خمیدگی شفت[7] که در نتیجه سائیدگی بین استاتور و روتور می تواند ایجاد شود

خطاهای گیربوکس و یاتاقانها

این خطاها به وسیله یک یا چند تا از عواملی که در زیر آورده شده است می تواند ایجاد شوند .

نامتعادل بودن ولتاژ و جریان خط فاصله هوایی

افزایش پالسهای گشتاور 

افزایش تلفات و کاهش در راندمان

گرمایشی خیلی زیاد

روشهای تشخیص، جهت خطاهایی که در بالا گفته شد ، مستلزم انواع مختلفی از علوم و تکنولوژی ها است که برخی از این روشهای تشخیص در زیر آمده است .

روشهای کنترلی میدان الکترومغناطیسی، کویل مخصوص تشخیص خطا[8]

اندازه گیریهای حرارتی 

بازشناسی[9] مادون قرمز

روشهای کنترلی ، انتشار فرکانسی رادیویی (  RF)

روشهای کنترلی نوسان و نویز

اندازه گیریهای نویز صوتی

آنالیز اثر جریان  موتور ( MCSA )[10]

مدل هوش مصنوعی[11] و تکنیکهایی بر مبنای شبکه های عصبی[12]

شکل ( 1-1 ) یک موتور القایی که قسمتهای مختلف آن از یکدیگر مجزا شده است را نشان می دهد. خطاهایی که در بالا گفته شد در این قسمتها ایجاد و گسترش می یابند .

شکل1- 1موتور القایی با ساختار مجزا شده از هم[7]

1-3-1- عیوب الکتریکی اولیه در ماشینهای القایی :

در صورت پدید آمدن این گونه عیب ، ماشین می تواند به کار خود ادامه دهد و در صورت تشخیص ندادن به موقع این خطا، ماشین به مرور زمان از بین خواهد رفت . البته این موضوع بستگی به شدت وقوع خطا، در ماشین خواهد داشت و گاهی اوقات مشاهده می گردد که در اثر یکی از این نوع خطاها، ماشین کاملاً از بین می رود . عمده عیوب الکتریکی در ماشین در ذیل بیان شده است .

الف خروج از مرکزیت استاتور: با استفاده از طیف جریان الکتریکی استاتور و یا طیف ارتعاشات ناشی از لرزش موتور، می توان این عیب را تشخیص داد. بخاطر اینکه میدان مغناطیسی در هر سیکل شبکه، دو سیکل را طی می کند. اکثر خطاهای الکتریکی، معمولاً درهارمونیک دوم از فرکانس شبکه بروز می کنند. این فرکانس در هر دو نوع طیف الکتریکی و ارتعاشی قابل دسترسی می باشند در شکل (1-2) این موضوع نشان داده شده است.

دوبرابر فرکانس منبع      فرکانس عبور قطب

Pole  passing

frequency

Main frequency

شکل1- 2شمای قسمتی از موتور و فرکانس عبور قطب[7]

ب خروج از مرکزیت روتور: این عیب در اثر عواملی مانند خرابی یاتاقانها، شل شدن هسته های روتور و غیره پدید می آیند. خروج از مرکزیت روتور، سبب ایجاد اندازه های ارتعاشی و الکتریکی در فرکانسهای دو برابر فرکانس منبع با وجود باندهای کناری ناشی از فرکانس عبور قطب می­گردد. روابط زیر، فرکانسهای موجود در محیطهای جریان الکتریکی استاتور را توصیف می­نمایند.

تعداد قطب ×  فرکانس لغزش روتور     =          فرکانس عبور قطب

سرعت روتور- سرعت سنکرون     =       سرعت لغزش روتور

سرعت روتور × تعداد هادیها     =  سرعت هادیهای روتور

بنابراین بهترین روش جهت تشخیص این گونه خطاها در ماشین، استفاده از یک طیف موج فرکانسی از جریان الکتریکی استاتور در اطراف فرکانس چرخشی روتور می باشد.

ج خطاهای شکست میله روتور و حلقه های انتهایی: [9]

در سالهای اخیر، پیشرفتهای قابل ملاحظه ای در زمینه ساخت و طراحی سیم بندی های استاتور بدست آمده است. از طرفی چون لازم است که موتورهای القایی در محیطهایی که دارای گرد و خاک و فاسد کنندگی بالایی هستند نیز کار بکند، لازمه کار کردن در چنین محیطهایی، نیازمند توسعه وسیع در بهبود مواد عایقی و همچنین نحوه عملکرد این ماشینها می باشد. با این وجود طراحی روتور قفسی و ساخت آن دستخوش تغییرات بسیار کمتری نسبت به استاتور شده است به همین دلیل خطاهای روتور هم اکنون درصد بسیار بالایی از خطاهایی که در ماشین رخ می دهد را شامل می شود که در حدود %10-5 از مجموع کل خطاها می باشد. اکثریت خطاهایی که در روتور یک موتور القایی سه فاز رخ می دهد ، مربوط به شکست میله های روتور و همچنین حلقه های انتهایی روتور است. در واقع شکست میله  روتور به عنوان یکی از خطاهای اولیه در ماشین شناخته می شوند و این عیب باعث ایجاد خرابی بیشتر در موتور خواهد شد که تشخیص این نوع خطاها بسیار دشوار است.

همانطوریکه قبلاً گفته شد کلاس خرابی[13] روتور به گروهای زیر تقسیم بندی می شوند:

1. شفت

2.  یاتاقانها

     3.  ورقه ها  

4.  قفس سنجابی 

5.  سیستم تهویه

6.  استاتور 

7.  هر ترکیبی از موارد بالا

و همچنین الگوی خرابی در روتور نیز به گروهای زیر طبقه بندی می شود که به تنشهایی گوناگون عمل کننده روی ماشین ارتباط داده می شوند:

1.  گرمایی

2.  مغناطیسی

3.  دینامیکی

4.  مکانیکی     

5.  محیطی

قفس های روتور در 2 نوع مجزا می باشند.

1.  نوع ریخته شده  

2.  نوع ساختگی

قبلاً موتورهای با قفس ریخته شده  در ماشینهای کوچک مورد استفاده قرار می گرفته است. در حال حاضر ماشینهایی با این نوع قفس می توانند تا رنج  kw 3000 مورد استفاده قرار گیرند. قفس روتور نوع ساختگی اغلب در ماشینهای با کاربرد ویژه و رنج وسیع مورد استفاده قرار می گیرند . با این حال روتورهای از  نوع ساختگی بسیار بیشتر از  نوع ریخته شده  دچار شکست روتور و همچنین حلقه انتهاییمی شوند. به عبارت دیگر تعمیر کردن شکست های مربوط به روتور نوع ریخته شده بسیار دشوارتر و مشکل­تر از نوع ساختگی می باشد. زمانی که یک میله ای دچار شکست شود، به دلیل افزایش استرس­های ناشی از این شکست، میله های کناری نیز تحت تاثیر قرار می گیرند و به تدریج وضعیت این میله ها نیز بدتر می­شوند.

Abrasion -1

[2]- عملکرد نرمال تعریف می شود به صورت هر موتوری که  در معرض افت ولتاژ، تغییر بار (نوسانات بار)، اغتشاشات سوئیچینگ و غیره قرارمی گیرد.

- Eccentricity3

Centrifugal  Force-4

Rotor end - ring -5

[6]- Irregularities

- Bend shaft7

[8]- Search coils

- Recognition9

- Motor current signature analysis10

Artificial intelligence-11

- Neural network12

 Failure class-13

Abstract

In this thesis, electrical and mechanical faults in electrical machines and methods to investigate and fix the cause of the defect have been described. The main parameters that have been used for error detection in this thesis, three-phase stator currents in normal mode and gives erroneously, under various loading will be.

The effect of slots on the stator and rotor induction machine Behavior inverse air gap function is used in its true form. A stator and rotor slot is examined and, finally, the results can be compared. According to the above mentioned we can conclude that the early detection of any faults in induction machines you can create secondary events leading to Containing damage is prevented. In this regard, we have tried to analyze, evaluate and diagnose errors of the sample error of squirrel-cage induction motor stator wiring, effective step to implement predictive maintenance system is removed and Condition monitoring systems on these machines using the Containing damage to the national industries and resources can be reduced.