• بازدید : 31 views
  • بدون نظر
این فایل در ۹۷صفحه قابل ویرایش تهیه شده وشامل موارد زیر است:

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.
در قسمت بعدي تئوري موجك و همچنين شبكه عصبي مورد بررسي قرار گرفته است . مادر اينجا از〖db〗_۸  براي استخراج مشخصات سيگنال استفاده كرده ايم ، مهمترين دليلي كه براي استفاده از اين موجك داريم خاصيت متعامد بودن و پشتيباني متمركز سيگنال در حوزه زمان مي باشد. شبكه عصبي كه براي تشخيص خطا استفاده كرده ايم  ، شبكه سه لايه تغذيه شونده به سمت جلو با الگوريتم آموزش BP  و تابع فعاليت سيگموئيدي مي باشد 
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  و Soukup براي خرابيهاي استاتور موتورهاي القايي سه فاز قفس سنجابي، پنج حالت خرابي مطرح کرده اند که عبارت اند از: حلقه به حلقه، کلاف به کلاف، قطع فاز، فاز به فاز و کلاف به زمين[۱]. براي موتورهاي قفس سنجابي، خرابيهاي سيم پيچي استاتور و ياتاقانها ۳/۴ کل خرابيها به حساب مي آيند و همچنين اکثر خرابيهاي سيم پيچي استاتور موتور القايي از فروپاشي عايقي حلقه به حلقه ناشي مي شود]۲[. برخي از محققين خرابيهاي موتور را چنين تقسيم بندي کرده اند: خرابي  ساچمه ها ( ياتاقانها) %۴۰-۵۰، خرابي عايق استاتور %۳۰-۴۰ و خرابي قفسه روتور %۵- ۱۰ [۳] 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[۴] [۵] نظريه تابع سيم پيچي و کاربرد آن در آناليز گذرای 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[۶].


فصل اول :
بررسي انواع خطا در ماشينهاي القايي و علل بروز و روشهاي تشخيص آنها
  1-1- مقدمه:
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 مي كنند. 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 مي آيد . 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 : 
۱- با مشخص كردن شرايط كار ماشين مي توان تنشهاي حرارتي، مكانيكي وديناميكي 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 . 
۲- 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 .


۱-۲- بررسي انواع تنشهاي وارد شونده بر ماشين القايي : 
۱-۲-۱- تنشهاي موثر در خرابي استاتور : ]۱[
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    مي شود . 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، ۲۵% افزايش پيدا مي كند . 
◄ فرسودگي گرمايي : طبق قانون تجربي با ºc10 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)        
◄ 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   مي شود 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 می باشد ( F∝I^2). 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      مي گردد. 
 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 مي شوند كه برخي براي روتور ايجاد اشكال نمي كنند ( جرقه زدن غير مخرب ) و برخي ديگر باعث بروز خطا    مي شوند ( جرقه زدن مخرب ) . جرقه زدن هاي غير مخرب در طول عملكرد نرمال  موتور و بيشتر در هنگام راه اندازي رخ مي دهد .
◄ 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 مي برند. 
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 مي آيند 
◄ 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   نمي گيرند. عواملي همانند، گريز از مركز ، 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 ) I^2 )  متناسب و يكطرفه  مي باشند 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 رينگ هاي 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 مي شود : 
◄ نيروهاي گريز از مركز  : هر گونه افزايش سرعت از حد مجاز ، باعث ايجاد اين نيروها مي شود و چون ژنراتورهاي القايي در سرعت بالاي سنكرون كار مي كنند اغلب دچار تنشهايي ناشي از نيروي گريز از مركز مي گردند . 
◄ گشتاورهاي شفت :  اين گشتاورها معمولاً در خلال رخ دادن اتصال كوتاه و گشتاورهاي گذرا توليد مي شوند. اندازه اين گشتاورها ممكن است تا ۲۰ 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 

۱-۳ – بررسي عيوب اوليه در ماشين هاي القايي : ]۸[
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 : 
a: خطاي استاتور كه در نتيجه باز شدن يا اتصال كوتاه شدن يك تعداد زيادي از سيم پيچها در يك فاز استاتور ايجاد مي شود. 
b: اتصال هاي نامناسب در سيم پيچي هاي استاتور 
c: شكست ميله روتور يا شكست حلقه انتهايي روتور 
d: اختلالات  استاتيكي يا ديناميكي شكاف هوايي
e: خميدگي شفت  كه در نتيجه سائيدگي بين استاتور و روتور مي تواند ايجاد شود 
f: خطاهاي گيربوكس و ياتاقانها 
اين خطاها به وسيله يك يا چند تا از عواملي كه در زير آورده شده است مي تواند ايجاد شوند . 
a : نامتعادل بودن ولتاژ و جريان خط فاصله هوايي 
b  : افزايش پالسهاي گشتاور  
 c : افزايش تلفات و كاهش در راندمان 
d  : 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 .
 a  :  روشهاي كنترلي ميدان الكترومغناطيسي، کويل مخصوص تشخيص خطا 
b : اندازه گيريهاي حرارتي  
c : بازشناسي  مادون قرمز 
d  : روشهاي كنترلي ، انتشار فركانسي راديويي (  RF) 
e  : روشهاي كنترلي نوسان و نويز 
f  : اندازه گيريهاي نويز صوتي 
h  : آناليز اثر جريان  موتور ( MCSA ) 
J : مدل هوش مصنوعي  و تكنيكهايي بر مبناي شبكه هاي عصبي  
شكل ( ۱-۱ ) 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 .
۱-۳-۱- 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 (۱-۲) اين موضوع نشان داده شده است .
دو برابر فركانس منبع                               فركانس عبور قطب





شكل ۱-۲ : شماي قسمتي از موتور و فركانس عبور قطب
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 مي گردد . روابط زير ، فركانسهاي موجود در محيطهاي جريان الكتريكي استاتور را توصيف مي نمايند.
 
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 : ]۹[
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 %۱۰-۵ 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 خرابي  روتور به گروهاي زير تقسيم بندي مي شوند : 
۱- شفت
۲- ياتاقانها
۳- ورقه ها   
۴- قفس سنجابي  
۵- سيستم تهويه 
۶- استاتور  
۷- 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 : 
۱- گرمايي 
۲- مغناطيسي 

عتیقه زیرخاکی گنج