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
شکل1-1- 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
شکل2-1- نحوه‌ی سیم‌پیچی کلاف معیوب
شکل2-2- 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
شکل2-3- 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
شکل3-1- 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
شکل 3-2- تغییرات در حین شبیه سازی از موتور
3-4-3- استخراج روابط تحلیلی جهت محاسبه اندوکتانس‌ها و مشتق آنها
شکل 3-3- تغییرات اندوکتانس خودی فاز a استاتور بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت چگالی شار فاصله هوایی
شکل 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
شکل 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
شکل 3-6- وقوع عیب اتصال حلقه به حلقه در یک فاز
3-5-2- معادلات موتور با عیب حلقه به حلقه
شکل 3-7- تغییرات تابع دور
شکل 3-8- تغییرات اندوکتانس خودی فاز d استاتور بر حسب تغییرات ضریب اشباع و موقعیت چگالی شار فاصله هوایی
شکل 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
شکل 3-10- روند کار الگوریتم ژنتیک
شکل 3-11- نمودار ولتاژ برحسب جریان بی باری حاصل از تخمین پارامتر و تست آزمایشگاهی
شکل 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
شکل4-1- 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
شکل4-2- 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
شکل4-3- نمودار میله ای حساسیت دامنه هارمونیک اصلی جریان فاز a استاتور در برابر عوامل جانبی
شکل4-4- 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
شکل4-5- شاخص CCP برای موتور
شکل4-6- نوسان پاندولی
شکل4-7- 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