بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روشی نوین براي تشخیص خطاي خروج از مرکزیت استاتیکی روتور ژنراتور سنکرون قطب برجسته بر اساس اندازه گیري و آنالیز تغیرات منحنی ولتاژ القاء شده در محور روتور، بنام مونیتورینگ ولتاژ محور - SVM - 1، ارائه شده است. روش پیشنهادي بر مبناي تحلیل طیف فرکانسی منحنی ولتاژ محور به کمک مدلسازي و شبیه سازي ژنراتور سنکرون نمونه به روش اجزاء محدود - FEM - 2 دو بعدي و با در نظر گرفتن مسئله اشباع مغناطیسی، توسعه یافته است.
در شبیه سازي صورت گرفته، نکاتی نظیر رفتار غیرخطی هسته هاي مغناطیسی، شکل هندسی واقعی شیارها و فاصله هوائی، توزیع سیم پیچی آرمیچر و همچنین خطاي خروج از مرکزیت روتور در نظر گرفته شده اند. سیستم تشخیص خطا با اخذ دامنه شاخص خطا از روي طیف فرکانسی منحنی ولتاژ محور استخراج شده است. پس از آن ویژگی هاي انتخاب شده براي آموزش یک شبکه عصبی استفاده شده و سرانجام شبکه آموزش دیده به عنوان ابزار تفکیک ژنراتورهاي سالم و معیوب به کار رفته است.
.1 مقدمه
یکی از مهم ترین هزینه ها در صنعت، هزینه تعمیر و نگهداري و زیان ناشی از توقف تولید به علت عیوب میباشد. از این رو، بحث تشخیص به موقع عیب به منظور پیشگیري از گسترش آن از اهمیت زیادي در صنعت برخوردار است. در سال هاي اخیر تشخیص عیب و نگهداري پیشگیرانه که هدف آن جلوگیري از گسترش عیوب در ماشینهاست، مورد توجه بسیاري از محققان و مهندسان قرار گرفته است. در این راستا، مهندسان برق درصددِ توسعه ابزارهاي جدید تشخیص عیوب براساس منحنی کمیت هاي الکتریکی می باشند.
شناسایی و مونیتورینگ عیوب بوسیله کمیت هاي الکتریکی و مکانیکی تشخیص خطاي خروج از مرکزیت استاتیکی روتور در ژنراتور سنکرون قطب برجسته مبتنی بر مونیتورینگ ولتاژ محور به کمک شبکه عصبی توسط منحنی هاي مختلفی از ماشین هاي الکتریکی قابل انجام است. در مطالعات اخیر محققان براي تشخیص عیوب، استفاده از منحنی ولتاژ محور مطرح شده است. بدین ترتیب اندازه گیري ولتاژ و جریان محور ماشین هاي الکتریکی دوار نسبت به زمین و تشخیص حالت ماشین بر اساس آنالیز این منحنی ها تحت عنوان مونیتورینگ محور - SCM - 1 شناخته شده است.
پدیده ولتاژ محور در ماشین هاي الکتریکی دوار براي اولین بار توسط Buchanan در سال 1915 مطرح شد.. [1],[2] در مراجع [4] و [5]، تأثیر خروج از مرکزیت روتور را بر ولتاژ محور را در یک ماشین آزمایشگاهی که فاقد سیم پیچی روتور است بطور تجربی بررسی کردند و نشان دادند که متناسب با ازدیاد خروج از مرکزیت روتور، دامنه ولتاژ محور افزایش خواهد یافت. همچنین ایشان بررسی تحلیلی تأثیر حلقه هاي اتصال کوتاه شده در سیم پیچی تحریک را بر روي ولتاژ محور را انجام داده است.
در مرجع [6]، در مطالعاتشان بر روي مونیتورینگ ولتاژ محور، ارتباط بین ویژگیهاي ولتاژ محور ژنراتورهاي سنکرون 3125KVA تغذیه کنندة تأسیسات نفتی، با خطاهاي اتصالی در سیم پیچی قطب هاي برجسته روتور و خروج از مرکزیت روتور را به طور تجربی بررسی کرده و از آنجا معیاري براي تشخیص عیوب ماشین در مراحل اولیه آن حاصل شده و در برنامه نگهداري2 گنجانده شده است.
در مرجع [7]، با درنظر گرفتنِ مفروضات ساده کننده، رابطه بین فرکانس هارمونیک هاي ولتاژ محور با عوامل نایکنواخت کنندة فاصله هوائی ماشین را بدست آورده و تأییدات تجربی نیز براي روابط عرضه شده، ارائه کرده است. در مرجع [10]، با استفاده از روش اجزاء محدود دو بعدي هندسه یک ماشین آزمایشگاهی را مدلسازي و شبیه سازي نمودند، آنان با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازي رایانه اي و آزمایشگاهی به این نکته دست یافتند که فرکانس غالب 920 هرتز ناشی از تحلیل فرکانسی موج ولتاژ محور می باشد و بعد از فرکانس غالب، فرکانس 40 هرتز است که بیشترین دامنه را در طیف فرکانسی تصاحب کرده است.
در مرجع [11]، با استناد به شبیه سازي رفتار ماشین سنکرون روتور استوانه اي با استفاده از روش اجزاء محدود در شرایط وجود خطاهاي گوناگون، ابزاري براي تشخیص عیوب ماشین الکتریکی بر اساس آنالیز طیفی ولتاژ محور مطرح کردند سپس ایشان با انجام آزمایش هاي گوناگون بر روي ماشین آزمایشگاهی و اندازه گیري هاي تجربی منحنی ولتاژ محور، کارآمدي ابزار توسعه داده شده را اثبات نمودند.
در مرجع [12]، براساس اطلاعات جمع آوري شده از صنایع گوناگون علل و عوامل ولتاژ و جریان محور را دسته بندي نموده و پیشنهاد نمود با اندازه گیري توأم ولتاژ و جریان محور تشخیص عیب در ماشین هاي الکتریکی صورت پذیرد در مرجع [13]، در زمینه تشخیص عیب خروج از مرکزیت استاتیکی روتور روش خود را مطرح کرده اند که در نوع خودش قابل توجه است. آنها با شبیه سازي یک ژنراتور سنکرون دو قطبی با قدرت 20 کیلو ولت آمپر به روش اجزاء محدود دو بعدي طی چهار سناریوي مختلف و همچنین اندازه گیري هاي آزمایشگاهی بر روي مولد سنکرون نمونه در همان سناریوها، در جهت تشخیص عیب خروج از مرکزیت استاتیکی روتور تلاش نموده اند.
آنها با مقایسه طیف فرکانسی منحنی ولتاژ محور در شرایط سالم و بروز عیب خروج از مرکزیت حاصل از نتایج شبیه سازي و اندازه گیري هاي آزمایشگاهی، نشان دادند که با افزایش میزان خروج از مرکزیت، ولتاژ بیشتري در محور القاء شده که البته در برخی اجزاء فرکانسی بخصوص هارمونیک پنجم منحنی ولتاژ محور روندي کاهشی در ولتاژ محور به چشم میخورد که نشان از آن دارد که بسته به تعداد قطب هاي ماشین الکتریکی، تأثیراتی غیر مشابه بر منحنی ولتاژ محور اعمال میشود که بسیار حائز توجه است.
تشخیص خطاي خروج از مرکزیت استاتیکی روتور در ژنراتور سنکرون قطب برجسته مبتنی بر مونیتورینگ ولتاژ محور به کمک شبکه عصبی در مقاله حاضر ابتدا عوامل ایجاد کننده ولتاژ در محور مطرح می شوند و در گام بعدي فنĤوري SVM و مزایاي فنی و اقتصادي آن مورد بررسی قرار می گیرد. در ادامه، ژنراتور سنکرون نمونه با استفاده ار نرم افزار اجزاء محدود OPERA2D-VectorField-8.7 شبیه سازي شده و با مقایسه و تحلیل نتایج شبیه سازي رابطه میان ولتاژ محور و خروج از مرکزیت استاتیکی روتور بدست آمده است. در پایان، براي ایجاد ابزار تشخیص عیب، بر اساس نتایج شبیه سازي رفتار ماشین سالم و معیوب در شرایط گوناگون بهره برداري، بعد از انتخاب دامنه برخی هارمونیک هاي منحنی ولتاژ محور- که بیشتر از عیب خروج از مرکزیت روتور تأثیر میپذیرند- به عنوان ویژگی هاي اصلی1، به آموزش شبکه عصبی طبقه بندي کننده 2 مبادرت شده است.
.2 علل و عوامل ایجاد ولتاژ در محور
موضوع ایجاد ولتاژ در محور ماشین هاي الکتریکی در 1915 مورد توجه Buchanan قرار گرفت تا جاري شدن جریان در یاتاقان هاي ماشین را که موجب تخریب آن می شود بررسی نماید. امروزه در یک دسته بندي کلی، پنج منشأ براي پیدایش ولتاژ محور شناخته شده است : [16]
.1-2 شار مغناطیسی حلقه زننده محور
شرایط متعددي موجب جاري شدن خطوط شار مغناطیسی متناوب اطراف محور ماشین میشوند. از جمله میتوان به عدم تقارن مغناطیسی، اشباع مغناطیسی هسته و برجستگی قطب ها اشاره نمود.
.2-2 شار مغناطیسی عبوري از محور
اگر به هر دلیل در اجزاء آهنی ماشین هاي دوار - اعم از الکتریکی و مکانیکی - ، چگالی شار مغناطیسی باقی بماند، دوران روتور باعث خواهد شد که در اجزاي یاتاقان و یا در محور روتور ولتاژي تولید شود. از طرفی در ماشین الکتریکی، شار مغناطیسی گذرنده از محور میتواند به دلایل متعدد دیگري نظیر خطاي خروج از مرکزیت روتور، عدم تقارنی در سیم پیچی تحریک و همچنین پدیده اشباع مغناطیسی ایجاد شده باشد.
.3-2 اعمال تغییرات ولتاژ به مدار تحریک
ولتاژ محور همچنین در اثر وجود سیستمهاي تحریک استاتیکی و سیستم حفاظتی فعال3 سیم پیچی تحریک ماشین سنکرون نیز میتواند تولید شود. موج ولتاژ خروجی سیستم تحریک استاتیکی شامل مؤلفه هاي با فرکانس بالا هستند. تغییرات آنی ولتاژ اعمال شده به سیم پیچی تحریک، سبب جاري شدن جریانی از طریق کوپلاژ خازنی بین محور و سیم پیچی روتور، و تولید ولتاژي در محور میشود.
.4-2 مالش سیال به پره هاي توربین
در توربین هاي نیروگاه هاي حرارتی، مالش سیال بخار به تیغه هاي آن سبب تجمع بارهاي الکتریکی ساکن روي بخش دوار توربین میشود، بین محور و زمین ظرفیت خازنی موجود است و تجمع بارهاي ساکن موجب شارژ شدن این خازن خواهد شد که در نتیجه اختلاف پتانسیل میان محور و زمین ایجاد میشود.
.5-2 اتصال کوتاهی در سیم پیچی تحریک
در شرایطی که سیم پیچی روتور دچار عیب عایقی شده و اتصالی به هسته پیش آید، مستقیماً ولتاژي به روتور اعمال میشود.
.3 عوامل تولید شار مغناطیسی حلقه زننده محور
در اثر برخی ویژگی هاي ساختاري و یا تولرانس هاي ساخت و طراحی اجزاء، یا به سبب بروز عیب در ماشین هاي الکتریکی، شارهاي مغناطیسی محور روتور را احاطه نموده و سبب ایجاد ولتاژ در محور روتور خواهند شد.
