بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تشخیص خطای روتور در درایو موتور القایی قفس سنجابی با استفاده از نرم افزار
MATLAB و مدل ریاضی موتور
چکیده
موتور القایی این روزها دارای تغییرات زیاد و در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله، گام به گام پیاده سازی نرم افزاری یک ماشین القایی با استفاده از تبدیلات محور dq0 با متغیرهای استاتور و روتور در قاب مرجع دلخواه انجام شده است. برای این منظور، معادلات مربوطه استخراج و در ابتدا مشخص شده و سپس یک مدل کلی از یک موتور القایی سه فاز توسعه یافته ارائه خواهد شد. این " تشخیص خطای در درایو موتور القایی قفس سنجابی با استفاده از نرم افزار "MATLAB ارائه یک شبیه سازی از تشخیص خطای روتور مانند روتور میله شکسته یا انتهای حلقه در درایو موتور القایی قفس سنجابی است. توانایی تشخیص تمامی خطاها، که ممکن است در طول عمر موتور بوجود آیند، توجه ویژه ای را به شناسایی روتور میله شکسته در مراحل اولیه انتشار خطا می طلبد. این روش بر تجزیه و تحلیل طیف فرکانسی جریان استاتور و رویکرد سرعت روتور، که می تواند بدون اخلال در عملکرد نرمال موتور اندازه گیری شود متمرکز است، بنابراین آن را کاملا غیر تهاجمی و آسان به پیاده سازی در محیط های صنعتی قادر می سازد . تجزیه و تحلیل FFT جریان استاتور و خروجی حاصل از تجزیه و تحلیل وضعیت موتور القایی در حال کار را به ما می دهد. خروجی احتمالی از تجزیه و تحلیل می تواند وضعیت موتور در حال کار را در حالت سالم ، حالت هشدار دهنده و یا حالت خطا را به ما نشان دهد. این حالتهای موتور به ایستگاه نظارت از طریق GSM به اپراتور ارسال می گردد تا اقدامات لازم انجام پذیرد.
واژگان کلیدی: خطای روتور، روتور میله شکسته، انالیز FFT، مدل سازی ریاضی؛ .MATLAB
مقدمه
دستگاه های ایمنی کلاسیک مانند فیوز، حفاظت اضافه بار موتور و قطع کننده مدار تنها پس از یک خطای قابل توجهی که رخ می دهد فعال می شود. اگر موتور الکتریکی در درایوهای با عملکرد حیاتی استفاده شود، شکست ناگهانی می تواند باعث خطرات ایمنی غیر قابل پذیرش و هزینه های گسترده اقتصادی شود. یک سیستم تشخیص است که می تواند چنین شکستی را پیش بینی کند. بنابراین از اهمیت زیادی برخوردار است. مزیت اصلی نظارت انلاین و تشخیص در ماشین های الکتریکی توانایی پیش بینی و تشخیص نوع، موقعیت، احتمال و زمان خطای احتمالی است. روش هایی مانند نظارت به جلوگیری از وقفه ناگهانی در عملکرد و بهبود قابلیت اطمینان سیستم درایو اجازه می دهد. نظارت بر سیستم درایو الکتریکی با استفاده از تکنیکهای نظارت عملکرد غیر تهاجمی برای بهبود قابلیت اطمینان درایوهای الکتریکی در بسیاری از شاخه های صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. مزیت اصلی این سیستم تشخیصی، پیش بینی خرابی ممکن با تجزیه و تحلیل انلاین از پارامترهای مختلف درایو است. با توجه به ساختمان ساده ، هزینه کم و قابلیت اطمینان بالا، از موتورهای القایی قفس سنجابی سه فاز به طور گسترده در موتورهای الکتریکی استفاده می شود. به عنوان یک پیامد از خطای الکتریکی یا مکانیکی، که ممکن است در حین کار بوجود آیند، بسیاری از ماشین های القایی در شرایط نامتقارن عملیاتی قرار می گیرند. شایع ترین خطای روتور موتور القایی به طور کلی به دو صورت الکتریکی (عدم تقارن به دلیل روتور میله شکسته و بخش پایانی حلقه) و مکانیکی (خروج از مرکز ایستا و پویا) تقسیم بندی می شود. اگر چه خطای مکانیکی بسیار ایجاد می شود، اما تشخیص عدم تقارن الکتریکی در قفس روتور بسیار دشوار است ان هم به دلیل عدم توانایی اندازه گیری جریان روتور در طول بهره برداری از موتور است. شکست قفس روتور (شکل (1 بر اساس ترکیبی از تنش های مکانیکی و حرارتی به دلیل ایجاد نیروهای الکترومغناطیسی در میله قفس سنجابی در طول راه اندازی، نیروی جاذبه بین استاتور و روتور به دلیل شکاف هوایی نامتقارن، نیروهای گریز از مرکز، نیروهای ناشی از گشتاور و ارتعاشات ناشی از عدم تعادل جرم دوار ایجاد می شود . برای شناسایی چنین خطای جریان موتور دیدن تجزیه و تحلیل (MCSA) امروزه معمولا به تصویب رسیده و رویکرد قابل اطمینان برای انجام کار تشخیص در مراحل اولیه است. در طول سالها، بسیاری از ایده ها برای ارتقا طرح اساسی MCSA برای بهبود حساسیت تشخیص مطرح شده است.
شکل-1 شکست میله رتور موتور القایی
مدلسازی دینامیکی DQ موتور القایی سه فاز
ماشین AC سه فاز را می توان بصورت یک ماشین دو فاز معادل مانند شکل 2 نشان داد.
شکل-2 موتور القایی3 فاز دو سیم پیچ
شکل-3 محورهای ثابت و دوار
که در آن ds-qs مربوط به محور مستقیم استاتور و dr-qr مربوط به محور مستقیم روتور است. اجازه دهید فرض کنیم که-ds qsدر زاویه جهت دار "θ" نشان داده شده در شکل بالا باشد. ولتاژ Vds و Vqs را می توان در مولفه های as-bs-cs حل کرد که می تواند به صورت ماتریسی زیر بیان شود:
رابطه معکوس مربوطه را می توان بصورت زیر بیان کرد:
جزء توالی صفر را نشان می دهد که ممکن است وجود داشته یا نداشته باشد. جریان و شار را می توان با معادله تبدیل کرد. تا کنون، ما سه محور متغیر را به دو محور متغیر تبدیل کردیم حال برای تبدیل دو محور متغیر ثابت به دو محور چرخشی متغیربرای آن مانند شکل3 در نظر میگیریم. [Brereton, Lewis and Young ] در شکل3، de-qe به عنوان مرجع گردان است که با سرعت "ωe" با توجه به محور ds-qs می چرخد، ما می توانیم رابطه بین θe وωe را بصورت زیر بیان کنیم:
دو فاز سیم پیچ ds-qs به سیم پیچ نصب شده در محور فرضی de-qe تبدیل شده است. معادلات ولتاژ در محور ds-qs را می توان در مرجع de-qe بصورت زیر بیان کرد:
ما می توانیم دوباره با استفاده از معادلات زیر تبدیل دوباره از قاب گردان به قاب ثابت را داشته باشیم:
از انجا که ما درنظر گرفته ایم که:
بنابراین متغییر در قاب مرجع ثابت و در قاب مرجع متغییر می تواند بصورت زیر نوشته شود:
از معادلات (8) و (9) آن دیده می شود که ولتاژ دو فاز متعادل در مقادیر پیک برابر و دومی با زاویه فاز π / 2 با
توجه به مولفه های دیگر پیش فاز می باشد. معادله (10) و (11) نشان می دهد که، متغیر سینوسی در قاب ثابت یک مقدارDC در یک قاب مرجع چرخشی همزمان به نظر می رسد. این یک نتیجه مهم است.به یک چیز مهم توجه داشته باشید که متغیرهای استاتور لزوما متعادل کننده موج سینوسی نیست. در واقع، آنها ممکن است هر تابع در زمان دلخواه باشد. ما می توانیم معادله مدار استاتور در قاب ثابت را بصورت زیر بیان کنیم : [Wade, Dunnigan and Wil ]
که در ان شلر پیوندی استاتور می باشد. هنگامی که این معادلات به قاب مرجعde-qe برده شود، معادلات زیر به دست می اید .
آخرین جمله در معادله (14) و (15) می تواند به عنوان سرعت EMF ناشی از چرخش محور تعریف شود، به همین دلیل است.
که وقتی است معادله تبدیل به فرم ثابت می شود. این مهم است که توجه داشته باشید که در اینجا شار پیوندی در محور deو qe باعث ایجاد EMF به ترتیب در محور qe وde با π / 2 زاویه (پیش فاز) می شود. وقتی که تمامی متغیرها و پارامترها به قاب استاتوربرده شد، ازانجا که روتور در واقع با سرعت می چرخد، محور d-q در چرخش روتور با سرعت در قاب مرجع سنکرون می چرخد. بنابراین، در قاب de-qe ، معادلات روتور می تواند بصورت زیر بیان نسبی " شود:
شکل-4 مدار معادل دینامیکی محور de – qe در شکل4 شارهای پیوندی ناشی از جریان را می توان بصورت زیر بیان کرد:
با قرار دادن معادلات (18) و (21) در معادلات (14) و (15) داریم:
بطور مشابه با قرار دادن معادلات (19) و (22) در معادلات (16) و (17) داریم:
ایجاد گشتاور بوسیله تداخل شار شکاف هوایی و MMF روتور قبلا بحث شده است. در اینجا، شکل کلی تر مربوط به مولفه d-q متغیر بیان می شود.
معادلات (24)، (25)، (26)، (27) و (28) مدل کامل دینامیکی الکترو مکانیکی ماشین القایی در قاب سنکرون را نتیجه می دهد.
روشهای قبلی تشخیص خطا
تاریخ تشخیص خطا و نظارت به عنوان دستگاه خود تولید کنندگان و استفاده کنندگان ماشین های الکتریکی در ابتدا در حمایت ساده مانند اضافه جریان، اضافه ولتاژ، خطای زمین، و غیره برای اطمینان از عملیات ایمن و قابل اعتماد است.
خطای داخلی مشترک را می توان به طور عمده به دو گروه طبقه بندی کرد:
· خطای الکتریکی
· خطای مکانیکی
خطای الکتریکی شامل خطای ناشی از مشکلات عایقی سیم پیچ و برخی از خطاهای روتور است. خطای مکانیکی شامل خطای بلبرینگ، خروج از مرکز فاصله هوایی، خطای بار و انحراف شفت است. خطاهای الکتریکی زیر در موتور القایی سه فاز عملیاتی صنعتی بسیار معمول است.
- خطای روتور:
معمولا، ماشین آلات درجه پایین تر توسط تکنیک های ریخته گری در حالی که درجه های بالاتر ماشین با میله روتور مسی تولید می شود. مشکلات فنی می تواند با توجه به تولید روتور با استفاده از روش ریخته گری افزایش یابد. مشخص شده است که عدم تقارن موتور القایی قفس سنجابی در روتور به دلیل مشکلات فنی و یا ذوب میله و حلقه پایانی ایجاد شده است. با این حال، شکست در روتور نیز ممکن است به دلیل بسیاری از عوامل دیگر ایجاد شود. چندین دلایل اصلی برای خطای روتور وجود دارد. در طی فرایند لحیم کاری در ساخت، تنشهای متالورژی غیر یکنواخت ممکن است در مونتاژ قفس ساخته شده ایجاد شده و این نیز می تواند به شکست در طول کار منجر شود. میله روتور ممکن است قادر به حرکت طولی در شکاف اشغال شده نباشد، هنگامی که تنش حرارتی در طول راه اندازی بر ان از دستگاه تحمیل شده باشد. حلقه پایان سنگین می تواند نیروهای گریز از مرکز بزرگ ایجاد کند، که می تواند تنش های خطرناک بر روی میله رتور بوجود اورد. با توجه به دلایل بالا، میله روتور ممکن است آسیب دیده و به طور همزمان وضعیت عدم تعادل روتور رخ دهد. عدم تقارن قفس روتور منجر به توزیع نامتقارن جریان روتور می شود. با توجه به این، آسیب یک میله روتور می تواند باعث ایجاد آسیب هایی در میله های اطراف خود و در نتیجه گسترش این اسیب ها منجر به شکستگی های متعدد میله ها شود . در صورت ترک، که در یک میله رخ می دهد، نوار ترک خورده بیش از حد گرم شده و این می تواند باعث شکستن میله شود. بنابراین، میله های اطراف آن جریان های بالاتر را تحمل خواهد کرد و در نتیجه آنها در تنش حرارتی و مکانیکی حتی بزرگتر قرار گرفته که ممکن است شروع به ترک خوردن کنند. بسیاری از جریان ها که می توانست در میله شکسته جریان پیدا کند در حال حاضر در دو میله مجاور آن جریان پیدا خواهند کرد. بنابراین، تنش های حرارتی بزرگ نیز ممکن است به ورقه روتور آسیب برساند. توزیع دما در سراسر ورقه روتور نیز به دلیل عدم تقارن روتور تغییر کرده است. ترک خوردگی نوار را می توان در مکان های مختلف، از جمله بخش های شکاف در میله های تحت نظر و حلقه پایانی مفاصل میله پیدا کرد. امکان ترک خوردگی در ناحیه ای از حلقه پایانی مفاصل میله بزرگتر است به دلیل اینکه زمان راه اندازی ماشین طولانی و برای راه اندازیهای مکرر مورد نیاز است.
