بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه تشخیص به موقع خطای میله شکسته در روتور موتور القایی یکی از پژوهش های مهمی در حوزه مهندسی ماشین های الکتریکی است که توجه محققان را به خود جلب کرده است .روش ارائه شده در این مقاله بر اساس آنالیز المان محدود - FEM - میباشد.
بر این اساس از جریان خط موتور نمونه برداری شده و طیف هارمونیکی آن شبیه سازی میشود، سپس با تحلیل هارمونیک جریان استاتور با نمونه های سالم می توان تشخیص داد که چه خطایی و با چه وسعت و شدتی رخ داده است. شبیه سازی ها در این مقاله با استفاده از نرم افزار ماکسول و در محیط دوبعدی انجام شده است. سپس تحلیل هارمونیک جریان استاتور در نرم افزار متلب به دست آمده و نتایج ارائه شده اند.
-1 مقدمه
از آنجایی که امروزه موتورهای القایی نقش حساسی در صنایع مختلف دارند، تشخیص خطای سریع در آنها جهت جلوگیری از خروج بدون برنامه ریزی و پیشرفت خطا از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. از متداولترین خطاهای موجود در اینگونه موتورها ، ترک خوردگی یا شکستگی میلههای روتور - بخصوص موتورهایی با روتور از نوع شمشی - میباشد. برای تشخیص این خطاها روشهای مختلفی وجود دارد که یکی از آنها استفاده از طیف هارمونیکی جریان استاتور میباشد.
در این مقاله پس از ارائه مبانی تئوری تولید هارمونیکهای اضافی در طیف جریان در اثر خطای شکستگی میله و خطای ناهم محوری، توسط روش المان محدود تحت اینگونه خطاها مطالعه میشود. در مرجع شماره [1] مطالعه ای در مورد موتورهای القایی سه فاز قفس سنجابی در شرایط میله شکسته مبتنی بر آزمایشهای عملی و روش المان محدود انجام گرفته است. در این مقاله با مقایسه نتایج حاصل از تحلیل موتور توسط روش المان محدود و آزمایشهای عملی در هر دو حالت موتور سالم و دارای خطا نشان داده شده است که روش المان محدود، روش مناسبی جهت تحلیل موتور در هر شرایطی میباشد.
از آنجایی که نتایج تحلیل توسط روش المان محدود بسیار نزدیک به واقعیت است و اکثر جزئیات ماشین نظیر شکل دقیق دندانهها، مشخصات مغناطیسی ورقه و ابعاد حقیقی را در نظر میگیرد، میتوان از آن برای تحلیل موتور در هر شرایطی - اعم از سالم و یا خطادار - استفاده کرد. از دیگر کاربردهای روش المان محدود آن است که میتوان بعد از طراحی اولیه و قبل از مراحل ساخت نمونه موتور که هزینه زیادی در بر دارد با استفاده از این روش تحلیلهای مورد نظر را انجام داده و تصحیح های لازم را در طراحی اعمال کرد.
همچنین با توجه به تحلیل فرکانسی جریان موتور در شرایط سالم و خطادار میتوان دید که در شرایط خطا باندهای کناری افزایش قابل ملاحظهای پیدا میکنند و در نتیجه میتوان توسط بررسی دامنه این هارمونیکها به وجود خطا پی برد. این روش یک روش در حین کار بوده و به دلیل در دسترس بودن جریان موتور و عدم نیاز به سنسورهای خاص و صرفا استفاده از ترانسهای جریان، روشی ساده و کم خرج است.
لازم به ذکر است برای ارایه یک سیستم هوشمند تشخیص خطا لازم است آزمایشها و تحلیلهای زیادی انجام داد و در نهایت از یک نرم افزار هوشمند جهت تشخیص خطا استفاده نمود که نویسندگان این مقاله ضمن انجام آزمایشهای مختلف و مدلسازیهای متنوع و انجام تحلیلهای سیگنال با تبدیل فوریه و تبدیل موجک در حال تدوین یک نرم افزار هوشمند میباشند.
در مرجع شماره [2] روشی برای تشخیص خطای میله شکسته در موتورهای القایی با استفاده از خوشه بندی ماشین بردار پشتیبان پیشنهاد شده است. روشهای جدید مانند ناحیه منحنی هارمونیک، زاویه تاج هارمونیک1 و دامنه هارمونیک از تراکم طیف توان در جریان استاتور در حالت پایدار با استفاده از تحلیل FFT مورد استفاده قرار گرفته است.
در این مقاله نشان داده میشود که ترکیب دو روش اول از این روشها نتایج بسیار بهتری در مقایسه با روش اندازه هارمونیک برای تشخیص خطا، از خود نشان میدهد. مرجع شماره [3] تکنیکهایی را برای تشخیص خطای میله شکسته در روتور قفسی توضیح میدهد.
در این مقاله یک موتور 30 اسب بخار القایی با میله های عمیق در روتور مورد آنالیز قرار گرفته است.یوغ استاتور، نوک دندانه و سیم پیچهای جستجوی خارجی و ترموکوپل هایی بر روی موتور برای آزمایش نصب شده اند. یک مبدل گشتاور بر روی محور نصب شده است که با ماشین dc بار هم محور میباشد.
سطح مقطع ماشین با استفاده از المان محدود مدل شده و توزیع میدان و عملکرد مکانیکی با استفاده از تکینکهای غیرخطی ترکیبی حالت دائم محاسبه شده اند. میله های شکسته سبب افزایش موضعی میدان مغناطیسی در فاصله هوایی شده و عملکرد مکانیکی موتور را کاهش میدهد. اختلال به وجود آمده در میدان ناشی از میله های شکسته، که به طور کامل از حلقه های اتصال کوتاه قطع شده اند، ایجاد مولفه های فرکانس پایین میکند و هارمونیکهایی در جریان استاتور القا میشود که سبب ایجاد نوسان در گشتاور موتور میگردد.
در مرجع شماره [4] یک روش جدید برای کشف خطای میله شکسته تغذیه شده توسط مبدلهای فرکانس ارائه شده است. روشهای تحلیلی مرسوم مبتنی بر FFT، محدودیتهایی دارند. این روشها عبارت اند از تشخیص تحت وضعیت های کم توان، ناشی از اثر نشت طیفی2، یا نیاز به استفاده از نمونه های طولانی مدت برای به دست آوردن رزولوشن کافی در دامنه فرکانس. روش پیشنهاد شده در این مرجع، مبتنی بر تکنیکهای پیشرفته پردازش سیگنال مانند تبدیل هیلبرت3، این مسائل را آدرس دهی میکند و اجازه کشف میله شکسته را حتی در مورد وضعیت بی بار میدهد. روش پیشنهاد شده شامل تبدیل هیلبرت جریان فاز و آنالیز طیفی از طریق FFT میباشد.
نتایج عملی ارائه شده در این مقاله از ماشینهای سالم و دارای خطا تغذیه شده با مبدل فرکانس با هم مقایسه شده اند. این روش جدید همچنین با روش مرسوم FFT و تبدیلZ4 مقایسه شده است.در این مقاله به ارائه نتایج به دست آمده از شبیه سازی پرداخته و نتایج به دست آمده را بررسی میکنیم. همانطوری که بیان شد بروز خطای میله شکسته در روتور قفسی موتورهای آسنکرون ولتاژ بالا که معمولا دارای روتور غیر ریختهگری میباشند متداول میباشد.
بروز اولین خطای میله شکسته در روتور باعث به هم خوردن تعادل در جریانهای میله ها میشود. به گونهای که بروز خطای دیگری در روتور به فاصله کوتاه زمانی بعد از بروز اولین خطا بسیار محتمل میباشد. بنابراین با توجه به عدم دسترسی به روتور، اگر بتوانیم با استفاده از روشی بروز خطای میله شکسته را زود تشخیص دهیم میتوان به طور قابل ملاحظه ای هزینه تعمیرات را کاهش داد. در این مقاله شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Maxwell 16.0 به شکل دو بعدی انجام شده است. سپس تحلیل هارمونیکی جریانهای موتور در نرم افزار متلب با استفاده دستور تبدیل فوریه fft انجام شده است.
