دانشگاه آزاد اسلامي
علوم تحقيقات واحد يزد
پايان‌نامه دوره كارشناسي ارشد در رشته برق(M. Sc)
گرايش: قدرت
عنوان
تاثير شيارهاي استاتور و روتور بر پارامترهاي الکتريکي ماشين
(با اعمال خطاي سيم پيچ سه فاز)
استاد راهنما:
دکتر سيد امين سعيد
استاد مشاور:
دکتر حميدرضا اکبري
نگارنده:
ياسر فتاحي بافقي
سال تحصيلي: 94-93
پايان نامه کارشناسي ارشد (M. Sc)
عنوان
تاثير شيارهاي استاتور و روتور بر پارامترهاي الکتريکي ماشين
(با اعمال خطاي سيم پيچ سه فاز)
نگارنده:
ياسر فتاحي بافقي
از اين پايان نامه در تاريخ ………………………… با حضور استاد راهنما، استاد مشاور و هيأت داوران در دانشگاه آزاد اسلامي واحد علوم و تحقيقات يزد با موفقيت دفاع بهعمل آمد و مورد تأييد قرار گرفت.
هيأت داوران
استاد راهنما: دکترسيد امين سعيد
استاد مشاور: دکتر حميدرضا اکبري
داور: دکتر
مدير گروه کارشناسي ارشد: دکتر حميدرضا اکبري
معاونت پژوهش و فناوري واحد: دکترسيد حميد شمع ريزي
تعهد نامه اصالت رساله يا پايان نامه
اينجانب دانش آموخته مقطع کارشناسي ارشد نا پيوسته تخصصي در رشته مهندسي برق که در تاريخ ……………… از پايان نامه / رساله خود تحت عنوان: تاثير شيارهاي استاتور و روتور بر پارامترهاي الکتريکي ماشين (با اعمال خطاي سيم پيچ سه فاز) با کسب نمره ……….. و درجه ……………. کارشناسي ارشد دفاع نموده ام بدينوسيله متعهد مي شوم:
1)اين پايان نامه / رساله حاصل تحقيق و پژوهش انجام شده توسط اينجانب بوده ودر مواردي که از دستاوردهاي علمي و پژوهشي ديگران (اعم از پايان نامه ، کتاب ، مقاله و…) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رويه موجود ، نام منبع مورد استفاده و ساير مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر ودرج کرده ام.
2) اين پايان نامه/ رساله قبلا” براي دريافت هيچ مدرک تحصيلي(هم سطح ، پايين تر يا بالاتر) در ساير دانشگاها و موسسات آموزش عالي ارائه نشده است.
3) چنانچه بعد از فراغت از تحصيل،قصد استفاده و هر گونه بهره برداري اعم از چاپ کتاب ، ثبت اختراع و……………از اين پايان نامه داشته باشم،از حوزه معاونت پژوهشي واحد مجوزهاي مربوطه را اخذ نمايم.
4) چنانچه در هر مقطعي زماني خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشي از آن را مي پذيرم و واحد دانشگاهي مجاز است با اينجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده ودر صورت ابطال مدرک تحصيلي ام هيچگونه ادعايي نخواهم داشت.
نام ونام خانوادگي: تاريخ و امضاء:
ياسر فتاحي بافقي
تقديم به :‌
اي پدر از تو هر چه مي گويم باز هم کم مي آورم
خورشيدي شدي و از روشنايي ات جان گرفتم و در نااميدي ها نازم را
کشيدي و لبريزم کردي از شوق
اکنون حاصل دستان خسته ات رمز موفقيتم شد
به خودم تبريک مي گويم که تو را دارم و دنيا با همه بزرگيش مثل تو را ندارد
و تو اي مادر، اي شوق زيبايي نفس کشيدن
اي روح مهربان هستي ام
تو رنگ شادي هايم شدي و لحظه ها را با تمام وجود از من دور کردي و
عمري خستگي ها را به جان خريدي تا اکنون توانستي طعم خوش
پيروزي را به من بچشاني
تشكر و قدرداني
يرفع الله الذين آمنوا منکم والذين اوتوا العلم درجات والله بما تعملون خبير( 11مجادله )
که ايزد مقامي ببخشد بلند برآنان که دربحردانش درند
براعمال روشن به سرضمير همه هست آگه خداي خبير
دانشمند انديشمند استاد برجسته جناب آقاي
به استناد آيه ي شريفه ي 10 از سوره ي مبارکه ي فاطر که خداوند مي فرمايد” اليه يصعد الکلم الطيب والعمل الصالح يرفعه” ، سخنان و کلام ارزشمند به سوي خدا صعود مي کند و با ابديت سنخيت پيدا کرده و همواره آثار خود را ظاهر مي سازند ;
بسي شايسته است ازتلاش هاي مداوم وکوشش هاي مستمر حضرت عالي دراشاعه ي تعليم وتربيت وبسط وتوسعه ي علم ودانش ونيزاز روشن راي و کارگشايي ثمربخش شما به عنوان استاد راهنما درکمال امتنان وافتخارتقديروتشکرنموده و به رسم تعظيم و تکريم اين پايان نامه را تقديم محضر پربار وماندگارتان گردد.
با تشکر و سپاس از استاد دانشمند و پر مايه ام دکنر
که از محضر پر فيض تدريسشان ، بهره ها برده ام.
چکيده:
در اين پايان نامه ابتدا عيوب الكتريكي و مكانيكي در ماشينهاي الكتريكي بررسي گرديده و عوامل به وجود آورنده و روشهاي رفع اين عيوب بيان شده است. به دنبال آن، به كمك روش تابع سيم پيچي ماشين شبيه سازي و خطاي مورد نظر يعني خطاي سيم بندي استاتور به آن اعمال و نتايج مورد بررسي قرار داده شده است. پارامتر اصلي كه براي تشخيص خطا در اين پايان نامه استفاده كرده ايم، جريان سه فاز استاتور در حالت سالم و خطادار، تحت بارگذاري هاي مختلف خواهد بود.
سپس اثر شيارهاي استاتور و روتور بر رفنار ماشين القايي با تابع فاصله هواي معکوس به شکل واقعي خود مورد استفاده قرار ميگيرد. سپس چگونگي اعمال اثر شيارهاي استاتور و روتور در روش تابع سيم پيچ بيان شده و نحوي محاسبه ماتريسهاي اندوکتانس خودي و متقابل استاتور و روتورو ماتريسهاي مشتق اندوکتانس با وجود شيارهاي استاتور و روتور در چهار حالت مورد بررسي قرار ميگيرد. سپس اعمال خطاي سيم بندي استاتور بااثر شيارهاي استاتور و روتور مورد بررسي قرار ميگيرد و در نهايت نتايج بدست آمده با هم مقايسه ميشود.
با توجه به مطالب اشاره شده نتيجه مي شود كه با تشخيص به موقع هر كدام از عيوب اوّليه در ماشين القايي مي توان از پديد آمدن حوادث ثانويّه كه منجر به وارد آمدن خسارات سنگين مي گردد، جلوگيري نمود. در اين راستا سعي شده است كه با تحليل، بررسي و تشخيص يكي از اين نمونه خطاها، خطاي سيم بندي استاتور يك موتور القايي قفس سنجابي، گامي موثر در پياده سازي نظام تعميراتي پيشگويي كننده برداشته شود و با بكارگيري سيستم هاي مراقبت وضعيت بروي چنين ماشينهايي از وارد آمدن خسارات سنگين بر صنايع و منابع ملي جلوگيري گردد.
فهرست مطالب
مقدمه1
فصل اول کليات تحقيق
1-1- مقدمه3
1-2- بررسي انواع تنشهاي وارد شونده بر ماشين القايي3
1-2-1- تنشهاي موثر در خرابي استاتور3
1-2-2- تنشهاي موثر در خرابي روتور4
1-3 – بررسي عيوب اوليه در ماشين هاي القايي7
1-3-1- عيوب الكتريكي اوليه در ماشينهاي القايي8
1-3-2 عيوب مكانيكي اوليه در ماشينهاي القايي14
فصل دوم مباني نظري و پيشينه تحقيق
1-2-مقدمه19
2-2-سابقه تحقيق19
3-2-مروري بر تحقيقات گذشته19
فصل سوم روش تحقيق
3-1-مقدمه24
3-1-1- اهميت و مزايا26
3-2 تئوري تابع سيم پيچي27
3-2-1 تعريف تابع سيم پيچ27
3-2-2- محاسبه اندوکتانسهاي ماشين با استفاده از توابع سيم پيچ31
3-3- شبيه سازي ماشين القايي34
3-3-1- معادلات يک ماشين الکتريکي با m سيم پيچ استاتور و n سيم پيچ روتور36
3-3-1-1- معادلات ولتاژ استاتور36
3-3-1-2- معادلات ولتاژ روتور37
2-3-1-3- محاسبه گشتاور الکترومغناطيسي38
3-3-1-4- معادلات موتور القاي سه فاز قفس سنجابي در فضاي حالت39
3-4- نتايج شبيه سازي ماشين القايي سالم43
3-5- مدلسازي خطاي حلقه به حلقه و خطاي كلاف به كلاف45
3-6-نتايج شبيه سازي ماشين القايي در اثر خطاي سيم پيچ در شيارهاي استاتور48
فصل چهارم تجزيه و تحليل يافته ها
4-1 مقدمه52
4-2- محاسبه ماتريس اندوکتانس 53
4-3- محاسبه ماتريس اندوکتانس 54
4-4- محاسبه ماتريس اندوکتانس 54
4-5 مدلسازي اثر شيار56
4-6- نتايج شبيه سازي ماشين القايي سالم58
7-4- نتايج شبيه سازي ماشين القايي در اثر خطاي سيم پيچ در شيارهاي استاتور60
فصل پنجم نتيجه گيري و پيشنهادات
5-1 بحث و نتيجه گيري63
پيوست ها64
منابع66
فهرست شکل ها
شکل1- 1موتور القايي با ساختار مجزا شده از هم8
شکل1- 2شماي قسمتي از موتور و فركانس عبور قطب9
شکل1- 3 (الف) اتصال كوتاه كلاف به كلاف بين نقاط a , b(ب) خطاي فاز به فاز13
.
شکل3- 1برشي از وسيله دو استوانه اي با قرار گيري دلخواه سيم پيچ در فاصله هوايي28
شکل3- 2تابع دور کلاف متمرکز با N دور هادي مربوط به شکل 3-129
شکل3- 3تابع سيم پيچ کلاف متمرکز N دوري مربوط به شکل 3-131
شکل3- 4ساختار دو سيلندري با دور سيم پيچ A وB31
شکل3- 5تابع دور کلاف BB? شکل 3-432
شکل3- 6(الف) تابع دور فاز a استاتور(ب) تابع سيم پيچ فاز a استاتور34
شکل3- 7تابع سيم پيچي حلقه اول روتور35
شکل3- 8 (الف) اندوکتانس متقابل بين فاز Aاستاتور و حلقه اول روتور35
شکل3- 9شكل مداري در نظر گرفته شده براي روتور قفس سنجابي[40]37
شکل3- 10روندنماي برنامه شبيه‌سازي ماشين القايي قفس سنجابي سه فازبا فرض هسته ايده آل43
شکل3- 11شکل موج جريان فاز A44
شکل3- 12فرم سيم بندي استاتور وقتي كه اتصال كوتاه داخلي اتفاق افتاده است46
شکل3- 13منحني گشتاور ماشين50
.
شکل4- 1ورقه هسته و شيارهاي موجود بر آن در موتور القايي قفس سنجابي 11 kW52
شکل4- 2تابع فاصله هوايي معکوس با در نظر گرفتن شيارها52
شکل4- 3تغييرات اندوکتانس خودي فاز a استاتور نسبت به موقعيت روتور57
شکل4- 4با در نظر گرفتن اثر شيار براي استاتور، منحني اندوکتانس57
شکل4- 5با اعمال اثر شيارهاي روتور و محاسبه اندوکتانس58
شکل4- 6با اعمال اثر شيارهاي روتور و محاسبه اندوکتانس58
شکل4- 7شکل موج جريان فاز A59
شکل4- 8جريان ماشين در خطاي حلقه به حلقه در حالت راه اندازي و بدون بار60
شکل4- 9منحني سرعت ماشين61
شکل4- 10منحني گشتاور ماشين61

فهرست نمودارها
نمودار3- 1نمودار سرعت ماشين بر حسب زمان44
نمودار3- 2نمودار گشتاوري ماشين45
نمودار3- 3جريان ماشين در خطاي حلقه به حلقه در حالت راه اندازي و بدون بار49
نمودار3- 4منحني سرعت ماشين49
.
نمودار4- 1سرعت ماشين بر حسب زمان59
نمودار4- 2عملکرد گشتاوري ماشين60
مقدمه:
موتورهاي الکتريکي نقش مهمي را در راه اندازي موثر ماشينها و پروسه هاي صنعتي ايفا مي کنند. بخصوص موتورهاي القايي قفس سنجابي را که بعنوان اسب کاري صنعت مي شناسند. بنابراين تشخيص خطاهاي اين موتورها مي تواند فوايد اقتصادي فراواني در پي داشته باشد. از جمله مديريت کارخانه هاي صنعتي را آسان مي کند، سطح اطمينان سيستم را بالا مي برد، هزينه تعمير و نگهداري پايين مي آيد و نسبت هزينه به سود بطور قابل توجهي کاهش مي يابد.
Bonnett وSouk up براي خرابيهاي استاتور موتورهاي القايي سه فاز قفس سنجابي، پنج حالت خرابي مطرح کردهاند که عبارت اند از: حلقه به حلقه، کلاف به کلاف، قطع فاز، فاز به فاز و کلاف به زمين[1]. براي موتورهاي قفس سنجابي، خرابيهاي سيم پيچي استاتور و ياتاقانها کل خرابيها به حساب مي آيند و همچنين اکثر خرابيهاي سيم پيچي استاتور موتور القايي از فروپاشي عايقي حلقه به حلقه ناشي مي شود.[2] برخي از محققين خرابيهاي موتور را چنين تقسيم بندي کرده اند: خرابي ساچمه ها ( ياتاقانها) %40-50، خرابي عايق استاتور %30-40 و خرابي قفسه روتور %5- 10 [3] که اگر خرابي حلقه به حلقه جلوگيري نشود، منجر به خطاي فاز به زمين يا فاز به فاز مي گردد، که خطاي فاز به زمين شديد تر است. در مقالات[4] [5] نظريه تابع سيم پيچي و کاربرد آن در آناليز گذراي موتورهاي القايي تحت خطا شرح داده شده است. از اين نظريه در مدلسازي خطاي حلقه به حلقه استاتور استفاده شده است. علاوه بر روشهاي فوق خطاي استاتور موتور القايي را مي توان به کمک بردارهاي فضايي مورد مطالعه قرار داد[6].
فصل اول
کليات تحقيق
1-1- مقدمه:[7]
خرابيهاي يك موتور قفس سنجابي را مي توان به دو دسته الكتريكي و مكانيكي تقسيم ‌كرد.هر كدام از اين خرابيها در اثر عوامل و تنش هاي متعددي ايجاد مي گردند. اين تنشها در حالت كلي بصورت حرارتي، مغناطيسي، ديناميكي، مكانيكي و يا محيطي مي باشند كه در قسمت هاي مختلف ماشين مانند محور، بلبرينگ، سيم پيچي استاتور ، ورقه هاي هسته روتور واستاتور و قفسه روتور خرابي ايجاد ميكنند. اكثر اين خرابيها در اثر عدم بكارگيري ماشين مناسب در شرايط كاري مورد نظر، عدم هماهنگي بين طراح و كاربر و استفاده نامناسب از ماشين پديد ميآيد. در اين قسمت سعي گرديده است ابتدا انواع تنشهاي وارده بر ماشين، عوامل پديد آمدن و اثرات آنها بررسي گردد.
قبل از بررسي انواع تنشهاي وارده بر ماشين القايي بايستي موارد زير در نظر گرفته شود :
1- با مشخص كردن شرايط كار ماشين مي توان تنشهاي حرارتي، مكانيكي و ديناميكي را پيش بيني نمود و ماشين مناسب با آن شرايط را انتخاب كرد. به عنوان مثال ، سيكل كاري ماشين و نوع بار آن ، تعداد دفعات خاموش و روشن كردن و فاصله زماني بين آنها ، از عواملي هستند كه تاثير مستقيم در پديد آمدن تنشهاي وارده بر ماشين خواهند داشت.
2- وضعيت شبكه تغذيه ماشين از لحاظ افت ولتاژ در حالت دائمي و شرايط راه اندازي و ميزان هارمونيكهاي شبكه هم در پديد آمدن نوع تنش و در نتيجه پديد آمدن خرابي در ماشين موثر خواهند بود.
1-2- بررسي انواع تنشهاي وارد شونده بر ماشين القايي:
1-2-1- تنشهاي موثر در خرابي استاتور:[1.7]
الف ـ تنشهاي گرمايي :اين نوع از تنشها را مي توان ناشي از عوامل زير دانست:
? سيكل راه اندازي: افزايش حرارت در موتورهاي القايي بيشتر هنگام راه اندازي و توقف ايجاد ميشود. يك موتور در طول راه اندازي، پنج تا هشت برابر جريان نامي از شبكه جريان مي كشد تا تحت شرايط بار كامل راه بيفتد. بنابراين اگر تعداد راه اندازي هاي يك موتور در پريود كوتاهي از زمان زياد گردد دماي سيم پيچي به سرعت افزايش مي يابد در حالي كه يك موتور القايي يك حد مجاز براي گرم شدن دارد و هرگاه اين حد در نظر گرفته نشود آمادگي موتور براي بروز خطا افزايش مي يابد. تنشهايي كه بر اثر توقف ناگهاني موتور بوجود مي آيند به مراتب تاثير گذارتر از بقيه تنشها هستند.
? اضافه بار گرمايي: بر اثر تغييرات ولتاژ و همچنين ولتاژهاي نامتعادل دماي سيم پيچي افزايش مي يابد.
بنابر يك قاعده تجربي بازاي هر %2/1-3 ولتاژ فاز نامتعادل دماي سيم پيچي فاز با حداكثر جريان خود، 25% افزايش پيدا مي كند .
? فرسودگي گرمايي: طبق قانون تجربي با ?c10 افزايش دماي سيم پيچي استاتور عمر عايقي آن نصف مي شود. بنابراين اثر معمولي فرسودگي گرمايي ، آسيب پذيري سيستم عايقي است.
ب ـ تنشهاي ناشي از كيفيت نامناسب محيط كار : عواملي كه باعث ايجاد اين تنشهامي شود به صورت زير است:
> رطوبت
> شيميايي
> خراش ( سائيدگي)1
> ذرات كوچك خارجي
ج ـ تنشهاي مكانيكي: عواملي كه باعث ايجاد اين تنشها مي شوند به صورت زير مي باشند:
? ضربات روتور: برخورد روتور به استاتور باعث مي شود كه ورقه هاي استاتور عايق كلاف را از بين ببرد و اگر اين تماس ادامه داشته باشد نتيجه اين است كه كلاف در شيار استاتور خيلي زود زمين ميشود و اين به دليل گرماي بيش از حد توليد شده در نقطه تماس مي باشند.
? جابجايي كلاف: نيرويي كه بر كلافها وارد مي شود ناشي از جريان سيم پيچي است كه اين نيرو متناسب با مجذور جريان مي باشد ( F?). اين نيرو هنگام راه اندازي ماكزيمم مقدار خودش را دارد و باعث ارتعاش كلافها با دو برابر فركانس شبكه و جابجايي آنها در هر دو جهت شعاعي و مماسي ميگردد.
1-2-2- تنشهاي موثر در خرابي روتور :
الف ـ تنشهاي گرمايي: عواملي كه باعث ايجاد اين نوع تنشها در روتور مي شود به صورت زير است:
? توزيع غير يكنواخت حرارت: اين مسئله اغلب هنگام راه اندازي موتور اتفاق مي افتد اما عدم يكنواختي مواد روتور ناشي از مراحل ساخت نيز ممكن است اين مورد رابه وجود آورد. راه اندازي هاي مداوم و اثر پوستي، احتمال تنشهاي حرارتي در ميله هاي روتور را زيادتر مي كنند.
?جرقه زدن روتور: در روتورهاي ساخته شده عوامل زيادي باعث ايجاد جرقه در روتور ميشوند كه برخي براي روتور ايجاد اشكال نميكنند(جرقه زدن غير مخرب) و برخي ديگر باعث بروز خطا مي شوند(جرقه زدن مخرب ). جرقه زدنهاي غير مخرب در طول عملكرد نرمال2 موتور و بيشتر در هنگام راه اندازي رخ ميدهد .
? نقاط داغ و تلفات بيش از اندازه : عوامل متعددي ممكن است باعث ايجاد تلفات زيادتر و ايجاد نقاط داغ شوند. آلودگي ورقه هاي سازنده روتور يا وجود لكه بر روي آنها، اتصال غير معمول ميله هاي روتور به بدنه آن، فاصله متغير بين ميله ها و ورقة روتور و غيره مي تواند در مرحله ساخت موتور به وجود آيد. البته سازندگان موتور، آزمايشهاي خاصي مانند اولتراسونيك را براي كاهش اين اثرات بكار ميبرند.
ب ـ تنشهاي مغناطيسي: عواملي مختلفي باعث ايجاد اين تنشها بر روي روتور مي شوند همانند، عدم تقارن فاصله هوايي و شارپيوندي شيارها، كه اين عوامل و اثرات آنها در زير مورد بررسي قرار داده شده است:
? نويزهاي الكترومغناطيسي : عدم تقارن فاصله هوايي، علاوه بر ايجاد يك حوزه مغناطيسي نامتقارن باعث ايجاد مخلوطي از هارمونيكها در جريان استاتور و به تبع آن در جريان روتور مي گردد. اثرات متقابل هارمونيكهاي جريان، باعث ايجاد نويز يا ارتعاش در موتور مي شوند. اين نيروها اغلب از نا همگوني فاصله هوايي بوجود ميآيند
? كشش نا متعادل مغناطيسي: كشش مغناطيسي نامتعادل باعث خميده شدن شفت روتور و برخورد به سيم پيچي استاتور مي شود. در عمل روتورها به طور كامل در مركز فاصله هوايي قرار نميگيرند. عواملي همانند، گريز از مركز3، وزن روتور، سائيدگي يا تاقانها و … همگي بر قرار گيري روتور دورتر از مركز اثر مي گذارند.
? نيروهاي الكترومغناطيسي: اثر شار پيوندي شيارها ناشي از عبور جريان از ميله هاي روتور، سبب ايجاد نيروهاي الكتروديناميكي مي شوند. اين نيروها با توان دوم جريان ميله( ) متناسب و يكطرفه ميباشند و جهت آنها به سمتي است كه ميله را به صورت شعاعي از بالا به پائين جابجا مي كند. اندازه اين نيروهاي شعاعي به هنگام راه اندازي بيشتر بوده و ممكن است به تدريج باعث خم شدن ميله ها از نقطه اتصال آنها به رينگهاي انتهايي گردند.
ج ـ تنشهاي ديناميكي: اين تنشها ارتباطي به طراحي روتور ندارند بلكه بيشتر به روند كار موتورهاي القايي بستگي دارند.
برخي از اين تنشها در ذيل توضيح داده ميشود:
> نيروهاي گريز از مركز4 : هر گونه افزايش سرعت از حد مجاز، باعث ايجاد اين نيروها ميشود و چون ژنراتورهاي القايي در سرعت بالاي سنكرون كار مي كنند اغلب دچار تنشهايي ناشي از نيروي گريز از مركز ميگردند.
> گشتاورهاي شفت: اين گشتاورها معمولاً در خلال رخ دادن اتصال كوتاه و گشتاورهاي گذرا توليد مي شوند. اندازه اين گشتاورها ممكن است تا 20 برابر گشتاور بار كامل باشد .
د ـ تنشهاي مكانيكي: برخي از مهمترين خرابي هاي مكانيكي عبارتنداز:
> خميدگي شفت روتور
> تورق نامناسب و ياشل بودن ورقه ها
> عيوب مربوط به ياتاقانها
> خسارت ديدن فاصله هوايي
هـ ـ تنشهاي محيطي : همانند استاتور تنشهاي محيطي مختلفي، مي تواند بر روي روتور تاثير گذار باشد همانند رطوبت، مواد شيميايي، مواد خارجي و غيره
1-3 – بررسي عيوب اوليه در ماشين هاي القايي : [8و7]
در اين قسمت، عيوب و خطاهايي كه ممكن است در يك ماشين القايي پديد آيد بررسي گرديده و عوامل بوجود آورنده آنها و تا حدودي تشخيص اين خطاها مورد مطالعه قرار گرفته اند . عيوب به دو دسته، خطاهاي الكتريكي و مكانيكي تقسيم بندي شده اند البته ممكن است خطاهايي در اثر پديد آمدن هر دو نوع عيب الكتريكي و مكانيكي رخ دهد .
در حالت كلي خطاهاي بسيار مهمي كه در يك ماشين الكتريكي مي تواند اتفاق بيفتد به شرح ذيل است :
> خطاي استاتور كه در نتيجه باز شدن يا اتصال كوتاه شدن يك تعداد زيادي از سيم پيچها در يك فاز استاتور ايجاد مي شود.
> اتصال هاي نامناسب در سيم پيچي هاي استاتور
> شكست ميله روتور يا شكست حلقه انتهايي روتور5
> اختلالات6 استاتيكي يا ديناميكي شكاف هوايي
> خميدگي شفت7 كه در نتيجه سائيدگي بين استاتور و روتور مي تواند ايجاد شود
> خطاهاي گيربوكس و ياتاقانها
اين خطاها به وسيله يك يا چند تا از عواملي كه در زير آورده شده است مي تواند ايجاد شوند .
> نامتعادل بودن ولتاژ و جريان خط فاصله هوايي
> افزايش پالسهاي گشتاور
> افزايش تلفات و كاهش در راندمان
> گرمايشي خيلي زياد
روشهاي تشخيص، جهت خطاهايي كه در بالا گفته شد ، مستلزم انواع مختلفي از علوم و تكنولوژي ها است كه برخي از اين روشهاي تشخيص در زير آمده است .
> روشهاي كنترلي ميدان الكترومغناطيسي، کويل مخصوص تشخيص خطا8
> اندازه گيريهاي حرارتي
> بازشناسي9 مادون قرمز
> روشهاي كنترلي ، انتشار فركانسي راديويي ( RF)
> روشهاي كنترلي نوسان و نويز
> اندازه گيريهاي نويز صوتي
> آناليز اثر جريان موتور ( MCSA )10
> مدل هوش مصنوعي11 و تكنيكهايي بر مبناي شبكه هاي عصبي12
شكل ( 1-1 ) يك موتور القايي كه قسمتهاي مختلف آن از يكديگر مجزا شده است را نشان مي دهد. خطاهايي كه در بالا گفته شد در اين قسمتها ايجاد و گسترش مي يابند .
شکل1- 1موتور القايي با ساختار مجزا شده از هم[7]
1-3-1- عيوب الكتريكي اوليه در ماشينهاي القايي :
در صورت پديد آمدن اين گونه عيب ، ماشين مي تواند به كار خود ادامه دهد و در صورت تشخيص ندادن به موقع اين خطا، ماشين به مرور زمان از بين خواهد رفت . البته اين موضوع بستگي به شدت وقوع خطا، در ماشين خواهد داشت و گاهي اوقات مشاهده مي گردد كه در اثر يكي از اين نوع خطاها، ماشين كاملاً از بين مي رود . عمده عيوب الكتريكي در ماشين در ذيل بيان شده است .
الف ـ خروج از مركزيت استاتور: با استفاده از طيف جريان الكتريكي استاتور و يا طيف ارتعاشات ناشي از لرزش موتور، مي توان اين عيب را تشخيص داد. بخاطر اينكه ميدان مغناطيسي در هر سيكل شبكه، دو سيكل را طي مي كند. اكثر خطاهاي الكتريكي، معمولاً درهارمونيك دوم از فركانس شبكه بروز مي كنند. اين فركانس در هر دو نوع طيف الكتريكي و ارتعاشي قابل دسترسي مي باشند در شكل (1-2) اين موضوع نشان داده شده است.
دوبرابر فركانس منبع فركانس عبور قطب
شکل1- 2شماي قسمتي از موتور و فركانس عبور قطب[7]
ب ـ خروج از مركزيت روتور: اين عيب در اثر عواملي مانند خرابي ياتاقانها، شل شدن هسته هاي روتور و غيره پديد مي آيند. خروج از مركزيت روتور، سبب ايجاد اندازه هاي ارتعاشي و الكتريكي در فركانسهاي دو برابر فركانس منبع با وجود باندهاي كناري ناشي از فركانس عبور قطب ميگردد. روابط زير، فركانسهاي موجود در محيطهاي جريان الكتريكي استاتور را توصيف مينمايند.
تعداد قطب × فركانس لغزش روتور = فركانس عبور قطب
سرعت روتور- سرعت سنكرون = سرعت لغزش روتور
سرعت روتور × تعداد هاديها = سرعت هاديهاي روتور
بنابراين بهترين روش جهت تشخيص اين گونه خطاها در ماشين، استفاده از يك طيف موج فركانسي از جريان الكتريكي استاتور در اطراف فركانس چرخشي روتور مي باشد.
ج ـ خطاهاي شكست ميله روتور و حلقه هاي انتهايي: [9]
در سالهاي اخير، پيشرفتهاي قابل ملاحظه اي در زمينه ساخت و طراحي سيم بندي هاي استاتور بدست آمده است. از طرفي چون لازم است كه موتورهاي القايي در محيطهايي كه داراي گرد و خاك و فاسد كنندگي بالايي هستند نيز كار بكند، لازمه كار كردن در چنين محيطهايي، نيازمند توسعه وسيع در بهبود مواد عايقي و همچنين نحوه عملكرد اين ماشينها مي باشد. با اين وجود طراحي روتور قفسي و ساخت آن دستخوش تغييرات بسيار كمتري نسبت به استاتور شده است به همين دليل خطاهاي روتور هم اكنون درصد بسيار بالايي از خطاهايي كه در ماشين رخ مي دهد را شامل مي شود كه در حدود %10-5 از مجموع كل خطاها مي باشد. اكثريت خطاهايي كه در روتور يک موتور القايي سه فاز رخ مي دهد ، مربوط به شكست ميله هاي روتور و همچنين حلقه هاي انتهايي روتور است. در واقع شكست ميله روتور به عنوان يكي از خطاهاي اوليه در ماشين شناخته مي شوند و اين عيب باعث ايجاد خرابي بيشتر در موتور خواهد شد كه تشخيص اين نوع خطاها بسيار دشوار است.
همانطوريكه قبلاً گفته شد كلاس خرابي13 روتور به گروهاي زير تقسيم بندي مي شوند:
1. شفت
2. ياتاقانها
3. ورقه ها
4. قفس سنجابي
5. سيستم تهويه
6. استاتور
7. هر تركيبي از موارد بالا
و همچنين الگوي خرابي در روتور نيز به گروهاي زير طبقه بندي مي شود كه به تنشهايي گوناگون عمل كننده روي ماشين ارتباط داده مي شوند:
1. گرمايي
2. مغناطيسي
3. ديناميكي
4. مكانيكي
5. محيطي
قفس هاي روتور در 2 نوع مجزا مي باشند.
1. نوع ريخته شده
2. نوع ساختگي
قبلاً موتورهاي با قفس ريخته شده در ماشينهاي كوچك مورد استفاده قرار مي گرفته است. در حال حاضر ماشينهايي با اين نوع قفس مي توانند تا رنج kw 3000 مورد استفاده قرار گيرند. قفس روتور نوع ساختگي اغلب در ماشينهاي با كاربرد ويژه و رنج وسيع مورد استفاده قرار مي گيرند . با اين حال روتورهاي از نوع ساختگي بسيار بيشتر از نوع ريخته شده دچار شكست روتور و همچنين حلقه انتهاييمي شوند. به عبارت ديگر تعمير كردن شكست هاي مربوط به روتور نوع ريخته شده بسيار دشوارتر و مشكلتر از نوع ساختگي مي باشد. زماني كه يك ميله اي دچار شكست شود، به دليل افزايش استرسهاي ناشي از اين شكست، ميله هاي كناري نيز تحت تاثير قرار مي گيرند و به تدريج وضعيت اين ميله ها نيز بدتر ميشوند.
براي جلوگيري از چنين فرايند مخرب تجمعي (يكجا) عيوب ايجاد شده بايد به سرعت تشخيص داده شوند، در همان مراحلي كه محور شروع به ترك خوردن مي كند. مطالعات آزمايشگاهي جهت تشخيص خطاهاي ميله روتور بسيار گران قيمت است و ممكن است باعث خسارات جبران ناپذيري به روتور شود. بنابراين وجود روشي بر مبناي ايجاد يك مدل با استفاده از تاج سيم پيچي جهت شبيه سازي خطاهاي در ارتباط با ميله روتور و همچنين درجات مختلفي از شكست ميله، بسيار لازم و ضروري است.
تكنيكهاي مختلفي جهت تعيين شكستگيهاي ميله روتور به طور خلاصه در ذيل آورده شده است:
> آناليز ولتاژ القايي در حوزه زمان و فركانس در بوبينهاي مخصوص تشخيص خطا كه به طور ذاتي در اطراف نوك دانه استاتور و همچنين يوغ قرار گرفته است
> آناليز در حوزه زمان و فركانس شار محور كه به وسيله بوبينهاي مخصوص تشخيص خطاي خارجي در اطراف محور ماشين كنترل ميشود
> آناليز طيف جريان خط ماشين، يا آناليز اثر جريان موتور ( McsA )
> آناليز هارمونيكهاي گشتاور و سرعت موتور
> تخمين پارامتر
كه از ميان اين روشها، روشي McsA يكي از مهمترين روشهائي است كه جهت تشخيص خطاي شكست ميله و حلقه انتهايي روتور مورد استفاده قرار مي گيرد .در اين روش از سيم بندي استاتور به عنوان بوبين تشخيص خطا استفاده مي شود. به علاوه اين روش به وسيله انواع بارها و همچنين ساير نامتقارينهاي موجود تحت تاثير قرار نمي گيرد. شكست ميله سبب مي شود كه مولفه هاي طيف در شار شكاف هوايي كه از رابطه (1-1) بدست مي آيد افزايش يابد .
(1- 1)
f(b) : فركانس قابل تعيين در خطاي شكست ميله روتور
k : شاخص هارمونيك ( … ، 3 ، 2 ، 1K = )
P : تعداد جفت قطبهاي اصلي در موتور
s : لغزش
روشهاي المان محدود نيز جهت مدل كردن اين نوع از خطاها مورد استفاده قرار مي گيرند .
د ـ خطاهاي استاتور :
خطاهاي استاتور معمولاً مربوط به خطاهاي عايقي هستند . در اصطلاح، اين خطاها به صورت خطاهاي فاز به فاز و فاز به زمين شناخته شده است . اعتقاد بر اين است كه اين خطاها در ابتدا با خطاي حلقه به حلقه شروع شده كه در نهايت گسترش مي يابد و باعث ايجاد بقيه خطاها در ماشين مي شود. تشخيص خطاي حلقه به حلقه معمولاً بسيار مشكل است. تقريباً حدود % 40-30 از خطاهايي كه در ماشينهاي القايي گزارش شده است در اين طبقه قرار دارند .براي پي بردن به علت واقعي خرابي ماشين روش آناليز خرابيهاي ماشين پيشنهاد مي شود.
گام هاي اساسي آناليز عبارت اند از :
1. پيدا كردن كلاس يا مد خرابي14
2. پيدا كردن نوع يا الگوي خرابي15
3. بررسي شكل و مشخصات ظاهري موتور
4. دانستن شرايط عملكرد موتور در زمان بوجود آمدن خرابي
5. دانستن سابقه تعمير و نگهداري موتور و كاربرد آن
اگر هر كدام از اين گامها حذف شود يعني در نظر گرفته نشود به يك نتيجه غلط از علت واقعي خرابي مي رسيم. از اين رو مشكل بوجود آمده برطرف نمي شود و خرابي هايي از همان نوع در آينده بدون شك رخ خواهد داد. كلاس يا مد خرابي موقعيت خطا را مشخص مي كند، يعني بيان مي كند كه خطا در كدام قسمت از موتور رخ داده است. الگو يا نوع خرابي، نوع خطا را مشخص مي كند. در سيم پيچي استاتور پنج مد خرابي مطرح مي شود كه عبارت اند از حلقه به حلقه، كلاف به كلاف، قطع فاز، فاز به فاز ، و كلاف به زمين، در شكل زير براي يك سيم پيچي اتصال ستاره، دو تا از اين مدها نشان داده شده است.

(الف) (ب)
شکل1- 3 (الف) اتصال كوتاه كلاف به كلاف بين نقاط a , b(ب) خطاي فاز به فاز [9]
الگوهاي خرابي براي سيم پيچي استاتور به 4 گروه تقسيم مي شود:
1. متقارن
2. تك فازه
3. نامتقارن به همراه زمين شدن
4. خطاهاي نامتقارن گوناگون به استثناي زمين شدن
جهت رسيدن به تشخيص صحيحي از خطا بايستي مد خرابي و الگوي خرابي با هم در نظر گرفته شود. اين الگوي خرابي است كه بيشتر بر علت خرابي دلالت دارد. مثلاً ممكن است در چندين موتور، مد خرابي حلقه به حلقه باشد، اما الگوي خرابي براي هر كدام متفاوت باشد، چون علت خرابي براي هركدام متفاوت است.
روشها و تكنيكهاي مختلفي جهت تعيين خطاهاي استاتور وجود دارد. براي ژنراتورها و موتورهاي بزرگ با سيم بندي استاتور kv4 و بالاتر روشهاي تست تخليه جزئي16on – Line استفاده ميكنند كه داراي قابليت اطمينان بسيار بالايي است . حتي دستگاههاي اندازه گيري قابل حمل17 نيز براي چنين هدفهايي وجود دارند. براي موتورهاي با ولتاژ پايين، روشهاي تعيين خطاي استاتور به صورت استاندارد شده وجود دارد، كه قادر هستند خطاهاي حلقه به حلقه را به وسيله آناليز مولفه شار محوري در يك ماشين، كه داراي بوبين هاي متحد المركز بزرگ در دو طرف شفت هستند را تعيين بكنند. Toliyat در]4[ از طريق مدلسازي و آزمايش نشان داده است كه اين خطاها در نتيجه عدم تقارن در امپدانس ماشين است، كه سبب مي شود جريان در فازها به صورت نامتعادل باشد، و اين در نتيجه جريانات متوالي منفي كه در خطوط جاري هستند ناشي مي شود. با اين وجود جريانات متوالي منفي باعث نامتعادل شدن ولتا‍‍ژها، اشباع ماشين و غيره ميشود .
روش ديگري كه براي تعيين اين نوع از خطاها استفاده مي شود، روش MCSA است .اين روش ميتواند مولفه هاي قابل قبولي را از جريانهاي خطي حالت ثابت، با وجود حلقه هاي اتصال كوتاه شده در استاتور ايجاد بكند. عيب مهمي كه اين روش دارد اين است كه، مي تواند تحت تاثير نامتعادلي هاي ولتاژ نيز قرار گيرد. روش مناسبي كه در ادامه بررسي خواهيم كرد، تحت تاثير نامتعادلي هاي ولتاژ قرار نميگيرد و حساسيت كمتري براي هارمونيك هاي زماني موجود دارند. اين روش بر مبناي حوزه فركانس است كه جهت تعيين خطاهاي اوليه در inter-turn استاتور مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين روش ولتاژ خط به خط ماشين به جاي جريان خط ، جهت كنترل مولفه هاي فركانسي، بلافاصله بعد از اينكه ماشينswitched-off شد مورد استفاده قرار مي گيرد. هنگامي كه شار ماشين كاملاٌ سينوسي باشد ، حتي زماني كه محركهاي حالت جامد مورد استفاده قرار مي گيرد اين روش ها بر خلاف MCSA نتايج بسيار خوبي خواهد داد. هارمونيك ها در ولتاژهاي خط به خط با استفاده از فرمول (1-2) بدست ميآيد كه با مقدار K=1 بهترين قابليت تشخيص را خواهد داشت .
, k =1,2,3,…… (1-2)
r شيارهاي روتور مي باشد.هنگامي كه ماشين به وسيله يك محرك سرعت قابل تنظيم تغذيه شده باشد ؛ استفاده از اين روش مشخصات مطلوب بسيار زيادي را جهت تعيين خطاي ايجاد شده به ما خواهد داد .
ه- ضعيف شدن وضعيت ايزولاسيون سيم پيچي ها : در اثر پديد آمدن اين عيب ممكن است سيم پيچي ماشين بسوزد . بنابراين نمي توان اين عيب را به عنوان يكي از خطاهاي اوليه در ماشين در نظر گرفت ولي اين عيب نيز بر حسب شدت ضعيف شدن ايزولاسيون موتورقابل تشخيص است .
1-3-2 عيوب مكانيكي اوليه در ماشينهاي القايي[7]:
اين عيوب را مي توان به دو دسته تقسيم بندي كرد : دسته اول عيوبي هستند كه ناشي از اثرات مكانيزم متصل به روتور مي باشند و در اثربار متصل به موتور، بر روي ماشين ظاهر مي گردند. تشخيص اين عيوب در مكانيزم اتصالي به موتور، در بهبود كاري موتور تاثير بسزايي خواهد داشت. عمده عيوب موجود عبارت اند از : ناهم محوري موتور با بار متصل به آن ، خمش شفت و … .
دسته دوم از عيوب مكانيكي، مسائلي هستند كه ناشي از خود موتور ميباشد. با جداسازي موتور از مكانيزم نيز، اين عيوب مشاهده ميگردند. عمده عيوب موجود عبارت اند از خرابي ياتاقانها، نامتقارني روتور و … .
الف) خطاهاي ياتاقان: اكثر ماشينهاي الكتريكي داراي ساچمه ها و يا عناصر غلطنده در ياتاقانها مي باشند. هر يك از ياتاقانها شامل دو حلقه كه يكي در داخل و ديگري در بيرون قرار دارند. يك دسته از ساچمه ها يا عناصر غلطنده، در جدار ياتاقانها در بين اين حلقه ها قرار گرفته اند. حتي در شرايط عادي و با بارهاي متعادل نيز خطاهاي خستگي و فرسودگي در ماشين ممكن است اتفاق بيفتد. اين خطاها ممكن است كه منجر به افزايش نوسانات وسطوح پارازيتها و نويزها شوند.
به غير از فشارها و استرس هاي ناشي از عملكردهاي داخلي ماشين در حالت عادي كه به دليل ، نوسانات و خروج از مركزهاي ذاتي است، ياتاقانها ممكن است توسط عوامل خارجي بسيار زيادي از بين بروند همانند:
> آلودگي ها، زنگ زدگيها، خوردگيها به وسيله خواص خورندگي كه آب، اسيد و غيره دارند.
> روغن كاريهاي نامناسب، كه شامل روغنكاريهاي حلقه بيروني و حلقه دروني ياتاقانها مي باشد كه سبب گرم كنندگي و خراشيدگي سطوح مي شود.
تقريباٌ حدود %50-40 از خطاهاي ايجاد شده در ماشينهاي الكتريكي در ارتباط با ياتاقانها ميباشد . اين نوع از خطاها معمولاً توسط خطاهاي وابسته به خروج از مركز، پوشش داده ميشوند. به عبارت ديگر خطاهاي وابسته به بلبرينگها ميتوانند، همانند خطاهاي قاب ياتاقان بيروني، خطاهاي قاب ياتاقان دروني و خطاهاي ساچمهها طبقه بندي شوند، كه فركانسهاي نوساني جهت تشخيص اين خطاها به صورت زير بدست ميآيد.
كه در اين معادلات fr فركانسي چرخشي ، N تعداد ساچمه ها ، گام قطري گلوله ها ، زاويه تماس ساچمه ها (‌با جدار قاب ياتاقان ) ، قطر ساچمه هامي باشد.
در مرجع [10]Yazici يك روش فركانس ـ زمان آماري را جهت تعيين خطاهاي ياتاقان بيان كرده است.
ب) نامتقارني روتورماشين القايي:
نامتقارني مشكل عمده و مشترك قطعات دوّار است. ارتعاشات ناشي از نامتقارني محور عمدتاً ارتعاشات در جهت شعاعي بروي بلبرينگ هاي موتور مي باشند. مشكل نامتقارني در موتور، بيشتر به علت نامتقارني در فن خنك كننده آن و يا نامتقارني به علت تعميرات سيم پيچي و يا هسته روتور مي باشد. نامتقارني اجزاء گردنده به دو نوع استاتيكي و ديناميكي تقسيم بندي مي شوند.
> نامتقارني استاتيكي: در اين نوع نامتقارني سراسر قسمت دوار داراي تراكم جرم در يك نقطه مي باشد و معمولاً با اندازه گيري ارتعاشات روي دو ياتاقان ديده مي شود، كه اندازه ارتعاشات ياتاقانها در راستاي شعاعي داراي فاز يكساني خواهند بود.
> نامتقارني ديناميكي: در اين نوع نامتقارني، قسمت دوّار داراي تراكم جرم در نقاط مختلف مي باشند در اثر عدم همگن بودن جرم، يك گشتاور ديناميكي در محور روتور پديد مي آيد. لذا اندازه گيريهاي ارتعاشي روي دو ياتاقان نشان مي دهد كه ارتعاشات در راستاي شعاي داراي اختلاف فازي معادل 180 درجه خواهند بود.
ج ) ناهم محوري موتور با بار متصل به آن :
ناهم محوري از جمله عيوبي است كه ناشي از اثرات اتصال نادرست بار به ماشين مي باشد، که بر روي موتور اثرات مخرب زيادي پديد ميآورد. ناهم محوري در كوپلينگ تجهيزات دواربه صورتهاي زير تقسيم بندي ميگردد :
1. ناهم راستايي سطحي: اين نوع از ناهم محوري در اثر اختلاف ارتفاع موتور و بار پديد مي آيد.
2. ناهم راستايي زاويه اي: اين نوع از ناهم محوري در اثر اختلاف



قیمت: تومان


پاسخ دهید