تشخیص خطای حلقه به حلقه سیم پیچی استاتور موتورهای القایی سه فاز قفس سنجابی با در نظر گرفتن اثر اشباع مغناطیسی

پایش وضعیت موتورهای القائی، یک فناوری کاملاً ضروری و مهم برای تشخیص به هنگام عیوب مختلف در مرحله ابتدائی است. که می‌تواند از شیوع عیب‌های غیرمنتظره در همان مراحل ابتدائی جلوگیری کند. تقریباً 30 تا40% عیوب موتورهای القائی مربوط به عیب‌های استاتور هستند. در این پایان‌نامه بررسی جامعی از عیوب مختلف موتور القائی، دلایل بوجود آورنده و روش‌های مختلف مدلسازی این عیوب صورت گرفته است. در ادامه شاخص‌های مختلف تشخیص عیب اتصال حلقه به حلقه سیم‌پیچی استاتور معرفی گردیده و از جنبه‌های مختلف مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته‌اند.

ایده اصلی این پایان‌نامه شبیه‌سازی موتور القائی معیوب با عیب اتصال حلقه به حلقه سیم‌پیچی استاتور با در نظرگرفتن اثر اشباع مغناطیسی است و شبیه‌سازی موتور القائی سه فاز معیوب با عیب اتصال حلقه به حلقه سیم پیچی استاتور، با و بدون در نظرگرفتن اثر اشباع مغناطیسی انجام گرفته است. سپس شاخص‌های مختلف این نوع عیب استخراج شده و در هر دو شرایط خطی و اشباع با نتایج عملی مقایسه شده‌اند. همچنین در این پایان‌نامه شاخص جدیدی با ویژگی‌های مطلوب‌تری جهت شناسایی عیب حلقه به حلقه سیم پیچی استاتور معرفی گردیده است و در نهایت مطلوب‌ترین شاخص از بین شاخص‌های موجود معرفی شده است.

کلمات کلیدی : عیب حلقه به حلقه سیم‌پیچی استاتور، موتور القایی، اشباع مغناطیسی، الگوریتم ژنتیک، پدیده نوسان پاندولی، اندوکتانس استاتور

فهرست مطالب

چکیده

فصل اول

مقدمه‌ای بر عیوب مختلف موتورهای القایی سه فاز  و معرفی شاخص‌های عیب حلقه به حلقه سیم‌پیچی استاتور

1-1-  مقدمه

شكل1-1- انواع خطاها در سیم پیچ استاتور

1-1- عوامل پدید آورنده خطاهای سیم‌پیچ

1-2-1-  تنش‌های حرارتی

1-2-2- تنش‌های الکتریکی

1-2-3- تنش‌های مکانیکی

1-2-4- تنش‌های محیطی

1-1-  روش‌های تشخیص خطا در سیم‌پیچ استاتور

1-3-1- روش‌های تهاجمی

1-3-1-1- نویز صوتی

1-3-1-2- لرزش

1-3-1-3- دما

1-3-1-4- تخلیه جزیی

1-3-1-5- آنالیز گاز

1-3-1-6- ضربه

1-3-1-7- سرعت زاویه‌ای لحظه‌ای

1-3-1-8- گشتاور فاصله هوایی

1-3-1-9- شار مغناطیسی

1-3-2- روش‌های غیر‌تهاجمی

1-3-2-1-  جریان خط استاتور

1-3-2-2- توان

1-3-2-3- ماتریس امپدانس توالی

1-3-2-4- ولتاژ موتور

 1-3-2-5- پدیده نوسان پاندولی

1-3-3- روش‌های مبتنی بر هوش مصنوعی

1-3-3-1- روش‌های مبتنی بر سیستم‌های خبره

1-3-3-2- روش‌های مبتنی بر منطق فازی

1-3-3-3- روش‌های مبتنی بر شبکه‌های عصبی مصنوعی

1-3-3-3-1- شبکه‌های عصبی تحت نظارت

1-3-3-3-2- شبکه‌های عصبی نظارت نشده

1-3-3-4- روش‌های مبتنی بر شبکه‌های فازی- عصبی

1-3-3-5- روش‌های مبتنی بر تخمین پارامتر

فصل دوم

بستر آزمایشگاهی

2-1-  مقدمه

2-1- موتور، تغذیه و بار گذاری

2-2-1-   موتور

جدول 2-1- اتصالات سر سیم‌های کلاف معیوب برای ایجاد خطای مصنوعی

شكل2-1- نحوه‌ی سیم‌پیچی کلاف معیوب

شكل2-2- دیاگرام سیم‌پیچی موتور مورد استفاده

2-2-1-   تغذیه موتور

2-2-1-   بارگذاری موتور

2-2-    جمع آوری داده های تجربی

2-2-1-  حسگرهای بکار رفته و مدارات واسط آنها

شكل2-3- مجموعه ست آزمایشگاهی مورد مطالعه

فصل سوم

مدلسازی و شبیه‌سازی رفتار موتور القایی سه‌فاز قفس سنجابی تحت عیب سیم‌پیچی استاتور

3-1- مقدمه

3-2- مدل مدارهای مزدوج چندگانه موتور القایی در شرایط سالم

3-3- محاسبه عناصر ماتریس‌های اندوکتانس و مشتق آنها

3-4- اثر اشباع مغناطیسی در رفتار ماشین سالم

3-4-1- تابع معکوس فاصله هوایی در ماشین القایی اشباع پذیر

شكل3-1- منحنی عمومی تغییرات چگالی شار مغناطیسی حول فاصله هوایی (بالا) و منحنی طول معادل فاصله هوایی (پایین) در یک موتور القایی دو قطب اشباع شده،  دامنه هارمونیک اصلی فضایی چگالی شار فاصله هوایی است.

 3-4-2- تعیین موقعیت چگالی شار مغناطیسی در فاصله هوایی

شكل 3-2- تغییرات در حین شبیه سازی از موتور

 3-4-3- استخراج روابط تحلیلی جهت محاسبه اندوکتانس‌ها و مشتق آنها

شكل 3-3- تغییرات اندوکتانس خودی فاز a استاتور بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت چگالی شار فاصله هوایی

شكل 3-4- تغییرات اندوکتانس خودی مش 1 روتور (بالا) و مشتق آن نسبت به موقعیت روتور (پایین) بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت روتور به ازای

شكل 3-5- تغییرات اندوکتانس متقابل فاز a استاتور و مش 1 روتور (La-1) و مشتق آن نسبت به موقعیت روتور (dLa-1) بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت روتور به ازای

3-5- مدلسازی و شبیه‌سازی موتور القایی با عیب اتصال حلقه به حلقه در سیم‌پیچی استاتور

 3-5-1- مدل‌سازی دورهای اتصال کوتاه شده

شكل 3-6- وقوع عیب اتصال حلقه به حلقه در یک فاز

3-5-2- معادلات موتور با عیب حلقه به حلقه

شكل 3-7- تغییرات تابع دور

شكل 3-8- تغییرات اندوکتانس خودی فاز d استاتور بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت چگالی شار فاصله هوایی

شكل 3-9- تغییرات اندوکتانس متقابل فاز d استاتور و مش 1 روتور (Ld-1) و مشتق آن نسبت به موقعیت روتور (dLd-1) بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت روتور به ازای  برای فاز با 14 حلقه اتصال کوتاه شده

3-6-  تعیین مقادیر 

3-6-1- الگوریتم ژنتیک

شكل 3-10- روند کار الگوریتم ژنتیک

شكل 3-11- نمودار ولتاژ برحسب جریان بی باری حاصل از تخمین پارامتر و تست آزمایشگاهی

شكل 3-12- سرعت همگرایی الگوریتم ژنتیک

3-7- شبیه‌سازی و بررسی نتایج

شکل 3-13- طیف نرمالیزه جریان خط استاتور برای موتور با 14 حلقه اتصال کوتاه حاصل از نتایج عملی     (a و b)، شبیه سازی با اشباع (c و d) و شبیه سازی بدون اشباع (e و f) در بی باری (a و c و e) و زیر بار کامل  (b و d و f)

شکل 3-14- طیف نرمالیزه جریان خط استاتور برای موتور با 21 حلقه اتصال کوتاه حاصل از نتایج عملی     (a و b)، شبیه سازی با اشباع (c و d) و شبیه سازی بدون اشباع (e و f) در بی باری (a و c و e) و زیر بار کامل  (b و d و f)

جدول 3-1- نتایج عملی و شبیه‌سازی با اثر اشباع و همچنین بدون آن  برای دامنه هارمونیک سوم جریان استاتور

شکل 3-15- نمودار جریان توالی منفی استاتور موتور القایی با 21 حلقه اتصال کوتاه شده زیر بار کامل حاصل از نتایج a) آزمایشگاهی، b) شبیه سازی با در نظر گرفتن اثر اشباع و c) شبیه سازی بدون در نظر گرفتن اثر اشباع

جدول 3-2-  نتایج عملی و شبیه‌سازی با اثر اشباع و همچنین بدون آن  برای دامنه جریان توالی منفی استاتور

شکل 3-16-  شاخص CCP حاصل از شبیه سازی با و بدون اشباع مغناطیسی و عملی a) با 9 حلقه و b) 13 حلقه اتصال کوتاه شده

شکل 3-17-  نوسان پاندولی حاصل از نتایج عملی

فصل چهارم

بررسی نتایج حاصل از شبیه ‌سازی

جدول 4-1- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور بی‌بار با 2% نامتعادلی تغذیه-  MCCM

جدول 4-2- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر نصف بار کامل با2% نامتعادلی تغذیه-  MCCM

جدول 4-3- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر بار کامل با 2% نامتعادلی تغذیه-  MCCM

جدول 4-4- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور بی‌بار با 5% نامتعادلی تغذیه-  MCCM

جدول 4-5- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر نصف بار کامل با 5% نامتعادلی تغذیه-  MCCM

 جدول 4-6- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر بار کامل با 5% نامتعادلی تغذیه- MCCM

جدول 4-7- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور بی‌بار با 2% نامتعادلی تغذیه-  SMCCM

جدول 4-8- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر نصف بار کامل با 2% نامتعادلی تغذیه- SMCCM

جدول 4-9- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر بار کامل با 2% نامتعادلی تغذیه-  SMCCM

جدول 4-10- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور بی بار با 5% نامتعادلی تغذیه-  SMCCM

جدول 4-11- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر نصف بار کامل با 5% نامتعادلی تغذیه-SMCCM

جدول 4-12- شاخص‌های عیب اتصال حلقه در موتور زیر بار کامل با 5% نامتعادلی تغذیه-  SMCCM

جدول 4-13- بررسی حساسیت جریان توالی منفی استاتور به عوامل جنبی مختلف

شكل4-1- نمودار میله‌ای حساسیت جریان توالی منفی استاتور در برابر عوامل جانبی

جدول 4-14-  بررسی حساسیت امپدانس ظاهری توالی منفی استاتور به عوامل جنبی مختلف

شكل4-2- نمودار میله ای حساسیت امپدانس ظاهری توالی منفی استاتور در برابر عوامل جانبی

جدول 4-15-  بررسی حساسیت دامنه هارمونیک اصلی جریان فاز a استاتور به عوامل جنبی مختلف

جدول 4-16-  بررسی حساسیت اختلاف فاز بین جریان فاز a و b استاتور به عوامل جنبی مختلف

شكل4-3- نمودار میله ای حساسیت دامنه هارمونیک اصلی جریان فاز a استاتور در برابر عوامل جانبی

شكل4-4- نمودار میله‌ای حساسیت اختلاف فاز بین جریان فاز a و b استاتور در برابر عوامل جانبی

جدول 4-17-  بررسی حساسیت دامنه هارمونیک سوم جریان فاز a استاتور به عوامل جنبی مختلف

شكل4-5- شاخص CCP برای موتور

شكل4-6- نوسان پاندولی

شكل4-7- نوسان پاندولی

فصل پنجم

شاخص پیشنهادی برای شناسایی عیب سیم‌پیچی استاتور

5-1- مقدمه

5-2- روش تخمین حالت اندوکتانس معادل استاتور

5-3- چگونگی تاثیر تعداد حلقه‌های اتصال کوتاه شده بر دامنه هارمونیک‌های اندوکتانس استاتور

شکل5-1- تخمین اندوکتانس معادل فاز استاتور موتور سالم در طول زمان در بی‌باری از روی نمونه‌های ولتاژ و جریان حاصل

شکل5-2- طیف فرکانس نرمالیزه اندوکتانس معادل محاسبه شده از سیگنال‌های ولتاژ و جریان ثبت شده در آزمایشگاه برای موتور

شکل5-3- طیف فرکانس نرمالیزه اندوکتانس معادل محاسبه شده از سیگنال‌های ولتاژ و جریان حاصل از شبیه سازی موتور با 5 حلقه اتصال کوتاه شده

جدول5-1- دامنه هارمونیک‌های مختلف اندوکتانس استاتور در برابر تعداد حلقه‌های اتصال کوتاه شده در سیم پیچی استاتور

5-4- تاثیر میزان بار، نامتعادلی تغذیه و اشباع مغناطیسی بر دامنه هارمونیک‌های اندوکتانس استاتور

شکل5-4- منحنی تغییرات دامنه نرمالیزه هارمونیک‌های

شکل5-5- منحنی تغییرات دامنه نرمالیزه هارمونیکهای

جدول5-2- دامنه هارمونیک‌های مختلف اندوکتانس استاتور در برابر تغذیه متعادل و تغذیه با 2% نامتعادلی

شکل 5-6- نمودار میله‌ای حساسیت هارمونیک دوم اندوکتانس استاتور در برابر عوامل جانبی

فصل ششم

نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتیجه‌گیری

6-2- نوآوری‌های پایان‌نامه

6-3- پیشنهادات

مراجع