بخشی از مقاله
خلاصه
کاربردهای متعدد و حضور حدود 75 درصدی موتورهای القایی در صنایع نشان از افزایش استفاده از اینگونه موتورها در مجامع صنعتی دارد. لذا نقش محوری این جزء مهم پروسه های صنعتی از جمله در پتروشیمی ها و صنایع بزرگ موجب گردیده تا عیوب اینگونه موتورها نیز با اهمیت بیشتری پیگیری شود. طبق بعضی از آمارها 60 درصد این عیوب دلایل مکانیکی دارد، که حدود 80 درصد عیبهای مذبور نیز بدلیل ناهم محوری میان روتور و استاتور رخ میدهد. این ناهم محوری به دو صورت خارج از مرکزیت استاتیکی و خارج از مرکزیت دینامیکی اتفاق می افتد.
در این مقاله از روش نظریه تابع سیم پیچی بمنظور تشخیص خطای بیرینگ - خارج از مرکزیت روتور - استفاده گردیده است. این روش تاثیر شار سیم پیچهای استاتور و روتور روی همدیگر را مورد مطالعه قرار میدهد. طبق این نظریه در صورتی که به هر دلیل فاصله بین روتور و استاتور غیر یکنواخت شود، چگالی شار در فاصله هوایی تغییر کرده و نتیجه آن ایجاد هارمونیک در جریان استاتور خواهد بود. طبق محاسبات انجام شده، هرمحدوده فرکانسی هارمونیکی، به خطای خاصی ارتباط داده شده است. شبیه سازی موتور القایی تحت آزمایش در این مقاله توسط نرم افزار FLUX 2D انجام شده است و بررسی و آنالیز جریان موتور در نرم افزار MATLAB صورت گرفته است.
-1 مقدمه
از اجزا مهم و حیاتی صنایع که به وفور در فرآیند های صنعتی استفاده می گردد، موتور های القایی است. این اجزاء - موتور های القایی - بین 40 تا 50 درصد برق تولیدی را مصرف میکنند. در دهه های اخیر تحقیقات وسیعی به منظور ایجاد روشهای مانیتورینگ وضعیت موتورهای القایی بر اساس تحلیل نوسانات سیگنال ارتعاش، حرارت، جریان و... انجام شده است که در این خصوص ابزارهای تجاری متعددی نیز موجود میباشد.
البته با این وجود، هنوز بسیاری از کارخانهها با عیبهای غیرمنتظره مواجه میشوند که باعث کاهش عمر مفید موتور و ایجاد خسارتهای زیادی میشود. به عنوان مثال در یک پتروشیمی یا شرکت فولادسازی، یک ساعت توقف موتورها منجر به خسارتهای مالی فراوان میگردد که برای جبران مستلزم صرف زمان و هزینه بالایی میباشد. این نکته نیز واضح است که بسیاری از محصولات تجاری برای نظارت بر موتورهای القایی با قدرتهای کم تا متوسط، مقرون به صرفه نیستند. با این تفاسیر همچنان این ضرورت وجود دارد که پیشرفت در این روشها جهت تشخیص خرابی اولیه موتورها ضروری می باشد.
جهت تحلیل عملکرد موتورهای القایی روشهای متعددی استفاده می گردد، که میتوان به نظریه تابع سیم پیچی بعنوان یک روش متداول و کاربردی اشاره نمود. قابلیت این نظریه در محاسبه اندوکتانس موتور با هر توزیع سیم بندی روتور و استاتور میباشد، که که باعث شده تا از آن در تحلیل ماشینهای الکتریکی مختلف از جمله: ماشینهای القایی تک فاز، القایی سه فاز، القایی خطی، رلوکتانسی سنکرون تحت شرایط مختلف استفاده کرد.
نظریه تابع سیمپیچی روشی بر مبنای محاسبه اندوکتانسهای موتور و استفاده از آنها در تشکیل معادلات تزویج الکترومغناطیسی بین روتور و استاتور به منظور تحلیل عملکرد موتور می باشد. با استفاده از این روش میتوان هارمونیکهای فضایی موتور را مورد مطالعه قرار داد. این هارمونیکها ناشی از عبور شار مغناطیسی استاتور از فاصله هوائی بوده و مضرب غیر صحیح از هارمونیک اصلی و تابع سرعت موتور هستند، فرکانس این هارمونیکها علاوه بر سرعت به توزیع هندسی فاصله هوایی مابین روتور و استاتور نیز بستگی دارد البته تمامی موتورها بصورت ذاتی دارای ناهم محوری میان روتور و استاتور میباشند که مقدار آن معمولا کمتر از %10 میباشد
- صباغی و شریعتی در سال - 1382 با بررسی جایگاه ماشینهای دوار الکتریکی درمراکز صنعتی، و تاکید بر این نکته که نگهداری اصولی و تعمیرات پیشگویانه این تجهیزات نقش بسزائی در کاهش هزینه های تعمیراتی و افزایش بهره وری مراکز صنعتی ایفا می کنند. یکی از تکنیکهای نگهداری وتعمیرات ماشینهای دوار الکتریکی، استفاده ازسیستمهای مراقبت وضعیت - Condition Monitoring - میباشد، که با استفاده از تکنیکهای مختلف اعم از آنالیز ارتعاش تجهیزات، آنالیز جریان، ترموگرافی، آنالیز روغن و غیره انجام میپذیرد. تکنیک آنالیز جریان یکی از تکنیکهائی است که با استفاده از آن عیوبی نظیر شکستگی میله های روتور، خارج از مرکزی، خرابی بیرینگ و حتی نابالانسی و لقی فونداسیون قابل تشخیص است
- آقای بنبوزید در سال 2000 و - 2003 مرور کلی بر تجزیه و تحلیل اثرات موتورهای القایی برای تشخیص خطا را ارائه نموده است. هدف از این کار معرفی مختصری از نظریه های اساسی، نتایج بدست آمده و برنامه های کاربردی عملی بمنظور تجزیه و تحلیل اثرات، جهت تشخیص شرایط مکانیکی و الکتریکی غیر طبیعی که ممکن است به خرابی موتورهای القایی منجر شود، می باشد. بیشتر تاکید موارد ارائه شده به تجزیه و تحلیل اثرات تحلیل جریان استاتور متمرکز شده است
- آقای اجاقی و همکاران در سال - 2014 با بررسی روش تابع سیم پیچ بعنوان یک روش شبیه سازی و مدل سازی دقیق و نسبتاً ساده برای تحلیل عملکرد موتورهای القایی قفس سنجابی معیوب برای شناسایی لحظه ای خطا اقدام نمود اند. این گروه در تحقیقات خود روش تابع سیم پیچ را با اعمال درجات متغیر اشباع مغناطیسی، با به کار بردن یک تابع فاصله هوایی مناسب و نیز روشی جدید برای تخمین ضریب اشباع مورد نیاز و موقعیت زاویه ای چگالی شار فاصله هوایی ارائه نمودند. در نتیجه، مدل تابع سیم پیچ اشباع پذیر را برای تحلیل موتور القایی قفس سنجابی دارای عیب میله های شکسته شده روتور و همچنین برای شناسایی اثر اشباع روی شاخصهای عیب بکار برده اند. مقایسه نتایج شبیه سازی این گروه با نتایج آزمایشی متناظر نشان داده است که مدل تابع سیم پیچ اشباع پذیر دارای دقت زیادی است.
-2 نظریه تابع سیمپیچی
نظریه تابع سیم پیچی برای هر دو حالت سالم و خارج مرکزیت روتور جهت محاسبه اندوکتانسهای مغناطیسی موتور القائی اجراء می شود .[1] این نظریه برای انواع عدم یکنواخت فاصله هوائی بین روتور و استاتور قابل تعمیم است، از اینرو می توان نشان داد که اندوکتانسهای مغناطیسی بین دو سیم پیچ روتور و استاتور بصورت زیر قابل محاسبه است:
در رابطه فوق L′AB اندوکتانس مغناطیسی واحد طول بین دو سیمپیچی A و B ، nΑ تابع دور سیمپیچی A، r0 شعاع متوسط فاصله هوائی در حالت سالم، g توزیع فاصله هوائی پیرامون روتور، θ زاویه مکانیکی روتور و φ یک زاویه دلخواه در دستگاه مرجع استاتور است. همچنین NΒ تابع سیمپیچی مربوط به سیمپیچی B است که با توجه به نظریه تابع سیمپیچی تصحیح شده در [12] بصورت زیر تعریف میشود.
مابقی توابع دور استاتور و روتور از انتقال این دو تابع به اندازه گام سیمپیچی استاتور یا روتور به دست میآیند. اگر l طول روتور و λ زاویه تورب میلههای روتور باشد اندوکتانس مغناطیسی بین دو سیمپیچ A و B در تمام طول روتور بصورت رابطه 3 محاسبه میشود.
در این رابطه ξ یک متغیر دلخواه روی محور منطبق بر محور طولی موتور است. با تعمیم روابط برای حالت ناهم محوری مرکب میان روتور و استاتور، میتوان تابع دقیقتر زیر را ارائه نمود: در این رابطه g0 طول فاصله هوایی در حالت متقارن است و ضرایب A، B و C عبارتند از:
-3 آنالیز هارمونیک
هارمونیکهای موجود در طیف جریان یک دستگاه، نتیجه هارمونیک های ولتاژ القاء شده در سیم پیچها، توسط هارمونیکهای چگالی شار فاصله هوایی میباشد
