کتاب شناسایی ‏خطاهای ‏ماشین‌های ‏الکتریکی

فهرست
عنوان صفحه
فصـل اول 15
مقدمه 15
خطا در ماشین‌های الکتریکی 16
خطاهای مربوط به بلبرینگ 18
خطاهای روتور یا استاتور 19
ترک خوردگی یا شکستن میله ها و حلقه های روتور 20
عدم تقارن در فاصله هوایی 20
آنالیز پاسخ فرکانسی (FRA) 21
فصـل دوم 27
مطالعات انجام شده در زمینه آنالیز پاسخ فرکانسی ترانسفورماتور 28
روش ها و الگوریتم های تشخیص خطا با استفاده از آنالیز پاسخ فرکانسی 28
بررسی و مقایسه شاخصها و روش های مقایسه نتایج آنالیز پاسخ فرکانسی 29
استفاده ترکیبی از آنالیز پاسخ فرکانسی در کنار روش های دیگر 31
بررسی اثر عوامل مختلف بر نتایج آنالیز پاسخ فرکانسی 31
بررسی نحوه تغییر نتایج آنالیز پاسخ فرکانسی در صورت وقوع خطاهای مختلف 33
مطالعات انجام شده در زمینه آنالیز پاسخ فرکانسی ماشین‌های الکتریکی 33
فصـل سوم 41
معرفی تجهیزات و روند طراحی شده برای انجام آزمایش ها 41
مشخصات ماشین الکتریکی مورد استفاده و نحوه سیم بندی مجدد آن 42
روند پیاده سازی شده برای انجام آزمایش FRA با تجهیزات آزمایشگاهی 45
استفاده از تحلیل گر امپدانس برای انجام آزمایش FRA 51
فصـل چهارم 55
خطایابی استاتور ماشین الکتریکی با استفاده از FRA 55
بررسی تکرارپذیری روش FRA و ارزیابی بازه فرکانسی مورد استفاده 56
بررسی چگونگی تأثیر موقعیت روتور بر پاسخ FRA ثبت شده از استاتور 58
بررسی موضوعات مربوط به تشخیص خطای اتصال حلقه استاتور با FRA 66
بررسی موضوعات مربوط به تشخیص خطای اتصال کوتاه بین دو فاز استاتور با FRA 73
تشخیص ضعیف شدن عایق سیم پیچ های استاتور با استفاده از FRA 79
فصـل پنجم 83
خطایابی روتور ماشین الکتریکی با استفاده از FRA 83
بررسی تکرارپذیری روش FRA و ارزیابی بازه فرکانسی مورد استفاده 83
بررسی نحوه تأثیر موقعیت روتور بر پاسخ FRA ثبت شده از خود روتور 86
بررسی موضوعات مربوط به تشخیص خطای اتصال حلقه روتور با FRA 92
بررسی موضوعات مربوط به تشخیص خطای اتصال کوتاه بین دو فاز روتور با FRA 99
تشخیص ضعیف شدن عایق سیم پیچ های روتور با استفاده از FRA 105
بررسی دقت خطایابی با استفاده از پاسخ فرکانسی سیم پیچ یک فاز روتور 107
بررسی امکان خطایابی روتور با استفاده از نتایج FRA استاتور 110
فصـل ششم 119
مطالعه ی روش های مقایسه ی آماری و نمایش نتایج FRA 119
تحلیل و بررسی کاربرد شاخص های آماری برای تفسیر نتایج FRA 120
تحلیل و بررسی شاخص های تک آرایه ای 125
تحلیل و بررسی شاخص های دو آرایه ای 128
پیشنهاد استفاده از شاخصی جدید برای بررسی نتایج FRA 134
بررسی روش های نمایش نتایج FRA 137
فصـل هفتم 143
نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات 143
۱ – ۷ – جمع بندی و نتیجه گیری 143
منـابع و مآخـذ 151
منابع 151

رابطه‌ای مستقیم میان پیشرفت صنعتی و میزان انرژی مصرفی هر کشور وجود داشته و در این میان انرژی الکتریکی بخش قابل توجهی از سبد انرژی را به خود اختصاص می دهد. لذا وجود سیستم قدرت با قابلیت اطمینان بالا لازمه‌ی داشتن روندی پایدار در توسعه صنعتی است. ژنراتورهای الکتریکی مهم ترین بخش تولید و کل شبکه قدرت بوده و به نوعی قلب تپنده سیستم محسوب می شوند، در نتیجه کار کرد بدون نقص آنها همواره از اهمیت بالایی برخوردار است. از سوی دیگر، در سمت مصرف کننده نیز بخش قابل توجهی از انرژی توسط موتورهای الکتریکی برای مصارف گوناگون به صورت های دیگر انرژی تبدیل می شوند. بر کسی پوشیده نیست که موتورها در بخش صنعتی نقش به مراتب پررنگ تری نسبت به مصارف خانگی و اداری داشته و می توان کار کرد دقیق، پیوسته و با بازده مناسب آنها را اساس سودآوردی یک واحد صنعتی دانست.
علاوه بر نقش غیر قابل انکار ماشین‌های الکتریکی در سطوح تولید و مصرف، قیمت زیاد و هزینه ی بالای تعمیر و نگهداری این تجهیزات نیز بر اهمیت آنها افزوده است. در نتیجه، ضروری است که وضعیت ماشین‌های الکتریکی به صورت مداوم کنترل شود تا خطاهای گوناگون در مراحل اولیه شناسایی شده و از گسترش و تبدیل شدن آنها به خرابی های بزرگ جلوگیری شود. کتاب حاضر نیز به مبحث خطایابی ماشین‌های الکتریکی سه فاز با استفاده از روش آنالیز پاسخ فرکانسی اختصاص یافته است. به منظور درک بهتر موضوع و روند کتاب، ابتدا لازم است نگاهی اجمالی به مبحث خطا در ماشین‌های الکتریکی و همچنین روش FRA داشته باشیم.
از همین روی در ادامه این فصل پس از توضیح اجمالی این مباحث به بیان دقیق موضوع کتاب و روند انجام آن و همچنین ساختار کتاب پیش روی خواهیم پرداخت.

خطا در ماشین‌های الکتریکی
رخ دادن خطا در هنگام کار کرد ماشین الکتریکی اجتناب ناپذیر بوده و هم زمان با فراگیر شدن استفاده از ماشین‌های الکتریکی بحث خطایابی و حفاظت آنها نیز مورد توجه بوده است. در ابتدا روش های ساده ای مانند استفاده از رله های اضافه جریان، اضافه ولتاژ و اتصال به زمین کاربرد داشته اند، اما همگام با پیچیده تر شدن کاربرد ماشین‌های الکتریکی روش های ارزیابی وضعیت آنها نیز پیشرفته تر شده است. در این بخش ابتدا انواع خطاهایی که ممکن است در ماشین الکتریکی رخ دهند در کنار علائم وجود آنها و روش های خطایابی پرکاربرد به صورت مختصر معرفی شده، سپس در مورد خطاهای رایج تر و روش های شناسایی آنها توضیحات بیشتری ارائه میشود [1].
عمده ترین خطاهایی که در ماشین‌های الکتریکی رخ میدهند از قرار زیرند.
• اتصال کوتاه یا مدار باز شدن سیم پیچ های یک یا چند فاز استاتور
• به وجود آمدن خطا در اتصالات سیم پیچهای استاتور
• شکسته شدن یا ترک خوردن میله ها و یا حلقه انتهایی روتور قفس سنجابی
•. تغییر در فاصله هوایی ماشین الکتریکی
• خم شدگی، تغییر شکل و یا خروج از مرکز روتور
• اتصال کوتاه یا مدار باز شدن سیم پیچ های روتور سیم پیچی شده
• وجود خطا در بلبرینگ یا جعبه دنده ی ماشین
در اثر رخ دادن هریک از خطاهای فوق تغییراتی در شرایط کار کرد عادی ماشین الکتریکی رخ می دهد. رایج ترین تغییرات ممکن که می توان به آنها علائم وجود خطا گفت، در ادامه بیان شده است.
• عدم تقارن در جریان خطوط
• افزایش ضربان های گشتاور
•کاهش میانگین گشتاور
• افزایش تلفات و کاهش بازده
• گرم شدن بیش از اندازه
همان طور که بیان شد تا کنون روش های مختلفی برای خطایابی ماشین الکتریکی توسعه یافته اند. این روش ها ممکن است برای تشخیص خطا، یک یا چند زمینه ی علم و فن آوری را مورد استفاده قرار دهند. موضوعات مختلفی که روش های خطایابی مرسوم بر اساس آنها شکل گرفته‌اند در ادامه دسته بندی شده‌اند.
• ارزیابی میدان مغناطیسی
• اندازه گیری دما
•تشخیص با استفاده از نور مادون قرمز
• ارزیابی میزان امواج رادیویی
• ارزیابی لرزش و نویز
• آنالیز شیمیایی
•اندازه گیری نویزهای صوتی
•آنالیز جریان موتور
•روش های بر اساس هوش مصنوعی و شبکه های عصبیه
از میان انواع مختلف خطاهایی که برای ماشین‌های الکتریکی برشمرده شد، خطاهای وابسته به بلبرینگ، خطاهای استاتور و روتور، خطای ناشی از ترک خوردن یا شکستن میله ها و حلقه های روتور و عدم تقارن در فاصله هوایی از سایر خطاها رایج تر بوده و نیاز است به آنها توجه بیشتری شود. لذا در ادامه توضیحات بیشتری در مورد هریک از این چهار نوع خطا و روش های تشخیص آنها آورده شده است.

خطاهای مربوط به بلبرینگ
بلبرینگ از دو حلقه ی داخلی و خارجی تشکیل شده است که در فاصله ی میان این دو حلقه گوی های کوچک و هر نوع جسم غلطان دیگر قرار می‌گیرد. حتی در صورت کارکرد عادی ماشین، متعادل بودن بار و تراز بودن اتصالات، بر اثر کار کرد طولانی ماشین، بلبرینگ ها فرسوده شده و مشکلاتی نظیر پوسیدگی و ترک در حلقه ها و یا شکستن گوی ها در آنها رخ می دهد. علاوه بر این مشکلات که بر اثر تنش کارکرد عادی ماشین بر بلبرینگ ها ایجاد می شوند، ممکن است بر اثر آلودگی، وجود ذرات ریز مانند شن و سنگ، آب یا اسید در بلبرینگ ها فرسودگی و شکستگی رخ دهد. همچنین ممکن است روغن کاری نادرست بلبرینگ ها، چه بیش از حد نیاز و چه کمتر، باعث افزایش دما و یا سایش و در نتیجه خرابی شود. نصب نادرست بلبرینگ و تراز نبودن حلقه ها نیز می‌تواند باعث اعمال نیروهای نامتقارن و آسیب رسیدن به بلبرینگ شود.
به صورت کلی ۴۰ تا ۵۰ درصد خطاهای ماشین‌های الکتریکی را خطاهای مربوط به بلبرینگ تشکیل می‌دهد [1] این نوع خطا معمولا باعث افزایش لرزش و نویز در ماشین شده و به صورت عمده نیز با استفاده از ارزیابی لرزشها ماشین قابل تشخیص هستند. فرکانس لرزش ناشی از مشکلات مختلف بلبرینگ با توجه به ساختار ماشین و مشخصات خود بلبرینگ قابل محاسبه است و لذا می توان با بررسی وضعیت لرزش های ماشین به وجود خطا در بلبرینگ پی برد.
علاوه بر این در صورتی که خرابی بلبرینگ شدید باشد، فرکانس لرزش ها خود را در طیف جریان نیز نشان می دهند و می توان از این طریق خطایابی کرد. البته روش های تشخیص خطا با استفاده از لرزش ممکن است تحت تأثیر سرعت حرکت ماشین دچار مشکل شوند و دقت خود را از دست بدهند که البته استفاده از روش های مبتنی بر هوش مصنوعی و شبکه های عصبی می‌تواند به کاهش این اثر کمک کند.

خطاهای روتور یا استاتور
این خطاهای معمولا در اثر وجود مشکل در سیستم عایقی ماشین رخ می دهند و به صورت کلی به عنوان خطاهای اتصال حلقه، فاز به فاز و فاز به زمین شناخته می شوند. ۳۰ تا ۴۰ درصد خطاهای ماشین‌های الکتریکی القائی از این نوع است [1]. عمده ترین علل بروز مشکل عایقی و رخ دادن این نوع خطاها در ماشین‌های الکتریکی در ادامه لیست شده است.
• افزایش دمای هسته یا سیم پیچ های ماشین الکتریکی
• شل بودن ورقه های هسته و اتصالات سیم پیچ
• شل بودن سر بندی کلافها
• آلودگی بر اثر روغن و رطوبت
• عبور جریان شدید هنگام راه اندازی یا در اثر وقوع اتصال کوتاه در تپها
• تخلیه الکتریکی
• نشت در سیستم خنک سازی
روش های گوناگونی برای تشخیص این نوع خطاها وجود دارد که در میان آنها روش های تشخیص تخلیه جزئی برای ماشین‌های الکتریکی با رنج توانی بزرگتر از چهار کیلو ولت آمپر از دقت مناسب برخورد اند و حتی دستگاه های قابل حمل برای انجام این آزمون وجود دارد؛ اما برای ماشین‌های ولتاژ پایین روش استاندارد شده ای وجود ندارد [1] همچنین با قرار دادن سیم پیچ هایی به صورت هم محور با شافت ماشین و اندازه گیری ولتاژ القائی در آنها می توان شار محوری ماشین را تحلیل کرده و با استفاده از آن خطای اتصال بین حلقه های ماشین را شناسایی کرد. وجود خطا در سیم پیچها باعث برهم خوردن تقارن امپدانسی ماشین شده و در نتیجه آن جریان فازهای مخلتف نا متعادل خواهند بود. این موضوع در اثر شارش جریان توالی منفی رخ می دهد، البته لازم به ذکر است که جریان توالی منفی در اثر نا متعادل بودن ولتاژها یا به اشباع رفتن هسته نیز ایجاد می‌شود. به صورت کلی روش های مختلفی برای تشخیص این خطاها وجود دارد که بر اساس آنالیز جریان موتور (MCSA) استوار هستند. این روش ها ممکن است عدم تقارن جریان را بررسی کرده یا به مقدار جریان توالی منفی توجه کنند و یا از نسبت جریان توالی منفی به مثبت به عنوان یک شاخص برای وجود خطا استفاده کنند.
ترک خوردگی یا شکستن میله ها و حلقه های روتور
این نوع خطا مختص به ماشین هایی است که روتور آنها از نوع قفسی باشد و معمولا یکی از دلایل زیر باعث ایجاد ترک یا شکستن میله ها و حلقه های روتور میشود.
• تنش های دمایی؛ بر اثر بارگیری بیش از حد، افزایش تلفات ماشین یا عدم تقارن در نقاط داغ
• تنش های مغناطیسی بر اثر نویز و نیروهای الکترومغناطیسی، کشش مغناطیسی نا متقارن یا لرزش
• تنش های دینامیکی؛ بر اثر گشتاور شافت یا نیروی گریز از مرکز
• تنش های محیطی؛ بر اثر سایش یا فرسایش با آلودگی و رطوبت
• تنش های مکانیکی؛ بر اثر شل بودن ورقه های هسته، قسمت های فرسوده یا مشکل در بلبرینگ
• وجود عیب در هنگام ساخت
این نوع خطاها نیز عملا باعث تغییر در مدار معادل و امپدانس ماشین الکتریکی شده و لذا می توان مانند حالت قبل از روش های مبتنی بر آنالیز جریان برای شناسایی آنها استفاده کرد. علاوه بر این می توان با استفاده از تحلیل حوزه زمان و فرکانس ولتاژ القائی در سیم پیچ هم محور شافت ماشین یا همان تحلیل شار محوری نیز این نوع خطا را تشخیص داد. به صورت کلی روش های خطایابی زیادی بر پایه تحلیل جریان ماشین الکتریکی برای تشخیص خطاهای وابسته به مدار الکتریکی استاتور و روتور ارائه شده‌اند و می توان گفت تحلیل جریان پر کاربرد ترین دیدگاه برای تشخیص این نوع خطاها است.
عدم تقارن در فاصله هوایی
در صورت وقوع این نوع خطا، میزان فاصله هوایی میان روتور و استاتور دیگر یکنواخت نبوده و این موضوع باعث ایجاد نیروهای شعاعی نامتقارن می‌شود. همچنین در صورت گسترش خطا، امکان ساییده شدن روتور و استاتور به یکدیگر نیز وجود دارد. عدم تقارن در فاصله هوایی به دو دسته ایستا و پویا تقسیم می‌شود. اگر مکان کمترین مقدار فاصله هوایی با چرخش روتور تغییر نکند به آن عدم تقارن ایستای فاصله هوایی می گویند، این نوع عدم تقارن می‌تواند در اثر خارج شدن شکل هسته استاتور از حالت دایره و بیضی شدن آن و یا نصب نادرست روتور و استاتور ایجاد شود. در صورتی که مرکز روتور با مرکز چرخش آن یکسان نباشد، حداقل میزان فاصله هوایی با تغییر چرخش محل روتور تغییر کرده و به آن عدم تقارن پویای فاصله هوایی می گویند. این موضوع می‌تواند در اثر خم شدن روتور، پوسیدگی بلبرینگ ها و یا تراز نصب نشدن استاتور و روتور به وجود آید.
وجود این خطا باعث تغییر در مولفه های بخصوصی از جریان موتور شده و لذا می توان برای تشخیص آن نیز از روش تحلیل جریان موتور (MCSA) استفاده کرد. علاوه بر این روش، بررسی فرکانس لرزش های ماشین نیز می‌تواند برای تشخیص خطا مناسب باشد. همچنین روش های دیگری بر اساس مدل سازی و تخمین پارامترهای موتور نیز وجود دارند که البته نسبت به دو روش ذکر شده کاربرد کمتری دارند.