بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای القایی به خاطر قدرتمند بودن و قابلیت اطمینان بالایی که دارند به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفتهاند به گونهای که بیش از %85 موتورهای موجود درصنعت را تشکیل می دهند. این مقاله روشی جهت تشخیص زود هنگام خطا به منظور جلوگیری از آسیب های ناشی از آن را ارائه می دهد. بدین منظور، دو موتور را به عنوان نمونه با شکست رتور در نرم افزار متلب سیمیولینک شبیه سازی کرده و با استفاده از تحلیل تبدیل فوریه ی سریع نتایج حاصله را تحلیل نموده ایم. نتایج حاصله نشان می دهد که می توان با دنبال کردن دقیق شکل موج های خروجی موتور خطا را در مراحل اولیه شناسایی و بر طرف نمود و این باعث بهینه سازی فنی و اقتصادی فرایند تولید و توزیع برق می گردد.
-1 مقدمه
مبدل های قدرت، اینورترها و کنترل کننده های ولتاژ Ac قادر هستند که فرکانس، ولتاژ و جریان را برای برآورده کردن نیازهای درایو کنترل کنند. موتورهای القایی سه فاز معمولا در درایوهای با قابلیت تنظیم سرعت بکار می روند. موتورهای القایی به خاطر قدرتمند بودن و قابلیت اطمینان بالایی که دارند به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار گرفتهاند به گونهای که بیش از هشتاد و پنج درصد موتورهای صنعت را تشکیل می دهند . اما آنها به بسیاری از خطاها حساس هستند، خطاهایی که می تواند باعث آسیب به انسانها یا از بین رفتن تولید شود؛ با این حال این خطاها میتوانند در مراحل اولیه تشخیص داده شوند تا از بین رفتن کامل موتور جلوگیری شود.
یکی از این خطاها شکستگی میله روتور است که پنج الی ده درصد خطای موتورهای القایی را تشکیل می دهد. این نوع خطا می تواند ناشی از تنش های گرمایی، مکانیکی، مغناطیسی و یا تنش های محیطی باشد. این تنش ها می توانند از خطاهای انسانی، خطای مربوط به مراحل ساخت موتور و خطای هنگام عملکرد موتور ناشی شوند. همچنین خطا باعث ایجاد نامتقارنی در موتور می شود که باعث کاهش عملکرد مطلوب موتور و عمر مفید آن می شود. دراین زمینه پژوهش های مختلفی انجام گرفته ازجمله: آنانت و همکاران در پژوهشی با عنوان تحلیل خطای BRB در موتورهای القایی با استفاده از آنالیز جریان استاتور و FFT طیف فرکانسی استاتور را با استفاده از FFT تحلیل کردند.از آنجا که تعداد میله های معیوب روتور و حالت بار دو پارامتر تعیین کننده هستند ، طیف فرکانسی گشتاور و سرعت در حالات مختلف این دو پارامتر تحلیل شده است.
[1] برای انجام این کار از روش TSFEM - روش المان محدود پله زمانی - استفاده شده است و بسیاری از مشکلات روش های قبلی برطرف شده از فرکانس روتور در حالت دایمی به عنوان یک الگوی فرکانسی جدید برای شناسایی BRB و تعیین تعداد میله های معیوب در زمان راه اندازی استفاده شده است. نتایج آنها نشان داده است که افزایش این دو پارامتر باعث افزایش دامنه مولفه های هارمونیکی و در نتیجه کاهش عملکرد موتور می شود.
-2 مشخصه گشتاور- سرعت موتور القایی
اگر موتور با ولتاژ ثابتی در یک فرکانس ثابت تغذیه شود ، گشتاور بوجود آمده تابعی از لغزش خواهد بود و مشخصه سرعت گشتاور را می توان از رابطه - 2 - بدست آورد. نمونه ای از تغییرات گشتاور بوجود آمده نسبت به سرعت یا لغزش در شکل - 1 - آمده است: عملکرد معکوس موتوری و ترمز در حالت مولدی با معکوس کردن ترتیب فازهای ترمینال موتور صورت می گیرد. مشخصه سرعت گشتاور معکوس با خط چین نشان داده شده اند. سه ناحیه کارکرد وجود دارد:
-1 حالت موتوری S 1 0 ، -2 حالت مولدی S 0 و -3 پلاگینگ یا ترمزی 2 .1 S در حالت موتوری، موتور هم جهت با میدان می چرخد و با افزایش لغزش، گشتاور نیز افزایش می یابد، در حالی که شار فاصله هوایی ثابت می ماند. هنگامی که گشتاور به مقدار نهایی خود Tm در S Sm می رسد، به علت افزایش لغزش ناشی از کاهش شار فاصله هوایی ، گشتاور کاهش می یابد.در حالت مولدی سرعت m از سرعت سنکرون s بیشتر است و این در حالی است که m و s در یک جهت هستند و مقدار لغزش منفی است. بنابراین Rr/S منفی است.
این بدان معنی است که توان از محور به داخل مدار روتور بر می گردد و موتور بصورت ژنراتور عمل می کند. موتور توان را به منبع برمی گرداند. مشخصه سرعت-گشتاور همانند حالت موتوری است با این تفاوت که مقدار گشتاور منفی می باشد.[3] در پلاگینگ معکوس، سرعت خلاف جهت میدان است و لغزش بزرگتر از یک می باشد. این حالت وقتی اتفاق می افتد که در وضعیت موتوری مستقیم ترتیب منبع تغذیه معکوس شود ، بطوریکه جهت میدان نیز معکوس شود. گشتاور بوجود آمده که هم جهت میدان است، با حرکت مخالفت میکند و مانند یک گشتاور ترمزکننده عمل می کند. از آنجایی کهS 1 است، جریان های موتور زیاد می باشند، ولی گشتاور بوجود آمده کم خواهد بود.[ 2] انرژی تولید شده درترمز پلاگینگ، باید درون موتور تلف شود و این ممکن است موجب گرم شدن بیش از حد موتور گردد. این نوع ترمز معمولا توصیه نمی شود.
از روابط - - 11 و - 12 - نتیجه میگیریم که اگر موتور با لغزش کم کار کند، گشتاور بوجود آمده متناسب با لغزش خواهد بود و سرعت با افزایش گشتاور کاهش می یابد. جریان روتور، که در سرعت سنکرون برابر صفر است با کاهش سرعت در اثر کاهش مقدار Rr/S ، افزایش می یابد. گشتاور بوجود آمده تا هنگامی که به مقدار ماکزیمم خود، S Sm نرسیده است، افزایش می یابد. برای S Sm ، موتور به صورت پایدار در قسمتی از مشخصه گشتاور سرعت ،کار می کند، اگر مقاومت روتور کم باشد ، Sm نیز کم می شود. در نتیجه مقدار تغییرات سرعت موتور از حالت بی باری تا گشتاور نامی ، درصد کوچکی میباشد. موتور اساساٌ در یک سرعت ثابت کار می کند. هنگامی که گشتاور بار از گشتاور شکست فزونی می یابد، موتور متوقف می شود و مدار محافظ اضافه بار بایستی بلافاصله منبع را قطع کند تا از آسیب ناشی از افزایش حرارت جلوگیری شود. باید توجه داشت که برای S Sm ، علیرغم افزایش جریان روتور ، گشتاور کاهش می یابد و عملکرد اکثر موتورها در این وضعیت ناپایدار است.[4]
-3 شکستن میله ی روتور یا خطای - BRB -
امروزه با توجه به اهمیت موتورهای القایی در صنعت، مانیتورینگ وضعیت موتور بسیار مورد توجه قرار گرفته است. طراحی و ساخت روتور قفس سنجابی در سال های اخیر دچار تغییراتی شده است. بنابرین روش های مانیتورینگ نیز پیشرفت هایی داشته است. خطاهای مربوط به روتور معمولا بر اثر تنش های حرارتی، تنش های مغناطیسی مربوط به نیرو های الکترو مغناطیسی و تنش های پسماندی هستند.
بنابراین تشخیص خطا در این موتورها بسیار حایز اهمیت است. خطای BRB برخاسته از مجموعه ای از تنش های داخلی و خارجی است. تشخیص BRB یکی از ساده ترین روش های تشخیص خطا است. برای شناسایی خطای روتور شکسته یا BRB می توان پارامترهای مختلف مثل پالس سرعت، شار شکاف هوایی، لرزش و جریان موتوررا مانیتور کرد. خطای روتور شکسته حدود 5 درصد خطاهای موتور های القایی را تشکیل می دهد .
جرقه زنی در محل بروز خطا می تواند بسیار مخاطره آمیز باشد. شناسایی خطای روتور در مراحل اولیه سخت تر از شناسایی خطاهای استاتور است. خطای BRB می تواند به علت راه اندازی و توقف های متعدد در یک بازه ی زمانی محدود باشد. [5 ] نشانه های اولیه ی بروز خطای BRB پالس سرعت، جریان و شار نشتی هستند. خطای روتور شکسته در دو حالت مانیتور می شود: حالت دایمی و حالت گذرا در زمان راه اندازی. روش FFT بر اساس حالت دایمی است. تحلیل FFT تا حد زیادی وابسته به شرایط بار در موتور های القایی است. در بارهای کم، تشخیص خطا بسیار دشوار است چرا که فرکانس خطا بسیار نزدیک به فرکانس بنیادی است. تشخیص خطا در حوزه ی فرکانس و زمان انجام می شود یکی از راههای تشخیصBRB مانیتورینگ جریان استاتور است . اکثر روش های مانیتورینگ موتورهای القایی از مولفه های طیفی حالت دایمی استاتور استفاده می نمایند.
این مولفه های طیفی شامل ولتاژ، جریان و توان هستند. برخی از مولفه های هارمونیکی فرکانس موتور های سالم و معیوب متفاوت هستند و این بهترین راهکار برای مانیتورینگ اینگونه تجهیزات است. انتخاب روش تحلیل و پردازش سیگنال جریان از مهمترین چالش ها است. FFT رابطه بین حوزه زمانی و فرکانسی را تعیین می نماید.[6] هنگامی که یک BRB در موتورالقایی اتفاق میافتد، مشخصه ی فرکانسی - 1-2S - f1ایجاد می شود. با جستجوی این مولفه می توان موتورهای معیوب را تشخیص داد. عدم توانایی روتور برای حرکت طولی در اسکات خود بر اثر اعمال تنش های حرارتی در زمان راه اندازی ماشین، شکل متقارن روتور باعث توزیع متقارن جریان می شود و آسیب دیدن یکی از میله های روتور به علت ساختار متقارن به بقیه ی بخش ها توسعه می یابد .
-4 دلایل مختلف خطای روتور
طی فرایند جوش سخت یا برنجی ممکن است تنش های مضری به روتور وارد شود که در هنگام عملیات باعث خطای روتور می شود. عدم توانایی روتور برای حرکت طولی در اسلات خود بر اثر اعمال تنش های حرارتی در زمان راه اندازی ماشین باعث خطا در رتور می شود .
