Şebeke Kalkışlı Daimi Mıknatıslı Senkron Motorda Statik Eksenden Kaçıklık Arızasının İncelenmesi Burak KARA 1 Zafer DOĞAN 2 1 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Teknik Bilimler MYO, Elektrik ve Enerji Bölümü 2 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Müh. ve Doğa Bil. Fak., Elektrik-Elektronik Mühendisliği Böl., 1 burak.kara@gop.edu.tr 2 zafer.dogan@gop.edu.tr Özet Şebeke Kalkışlı Daimi Mıknatıslı Senkron Motorlar yüksek güç faktörü, verimlilik, yüksek mekaniksel kuvvet üretimi gibi üstün özelliklerinden dolayı son yıllarda endüstrinin birçok uygulama alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu motorların arızalanmaları hem üretim kayıplarını hem de yüksek bakım onarım masraflarını ortaya çıkarır. Bu çalışmada Şebeke Kalkışlı Daimi Mıknatıslı Senkron Motorun statik eksenden kaçıklık arıza durumu incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Metoduyla modellenmiş motorun, farklı yük koşulları altında akımları izlenmiş, toplanan akımların zaman ve frekans boyutlarında analizleri yapılarak statik eksenden kaçıklığın motor üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Analiz sonuçları sağlam ve arızalı durumların grafikleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. 1. Giriş Elektrik motorları; elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren ve yaşamın birçok alanında insanoğlu tarafından kullanılan, sanayinin ise en önemli tahrik elemanlarından biridir[1,2]. Kalkışlı Daimi Mıknatıslı Senkron Motor (ŞKDMSM) bu çalışmaların sonucunda geliştirilmiştir. ŞKDMSM lerde SMSM rotoruna ASM nin kafes yapısı eklenmiştir[1,5]. ŞKDMSM'nin rotorunda kafes yapı ASM gibi kalkış yapmasını sağlarken, rotorda bulunan mıknatıslar ise motorun sürekli haldeki performansını arttırıcı etkiye sahiptir. Rotorda bulunan akı bariyerlerinin görevi ise mıknatısın ürettiği akının kendi üzerinden kısa devre olmasını engellemektir[6,7]. ŞKDMSM'nin şebekeden doğrudan beslenebilme özelliği, sabit hız gerektiren fan sistemleri, pompalar, bant sistemleri vb. yerlerde ASM'ye güçlü bir alternatif oluşturmuştur. Nem, toz, ısıl etkiler, farklı yük koşulları gibi ağır işletme koşullarında çalışan motorlarda birçok farklı arıza meydana gelebilmektedir. Bu tür koşullarda ŞKDMSM nin yaygın kullanımı, zamanla motorda elektriksel, mekaniksel ve manyetik birçok arızayı da beraberinde getirmiştir. ŞKDMSM'lerde meydana gelen arızalar Şekil 1 de görüldüğü gibi üç gruba ayırılır. Nüfus artışı ve teknolojideki gelişmelerden dolayı mevcut enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalması verimli cihazların kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Türkiye de toplam elektrik tüketiminin %40 ı, sanayideki elektrik tüketiminin ise %70 i elektrik motorları tarafından tüketilmektedir[3]. Tüm motorlar içerisinde doğrudan şebekeden beslenebilme ve yol alabilme özelliklerinden dolayı Asenkron Motor(ASM) en çok kullanılan motordur[4]. Ancak ASM lerin sabit mıknatıslı motorlara nazaran verimleri daha düşüktür. Yüksek verim, kararlı çalışma, kolay kontrol edilebilme gibi üstün özellikleri nedeniyle ASM lerin bir alternatifi olarak Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar(SMSM) kullanılmaktadır. SMSM lerin şebekeden doğrudan yol alabilme kabiliyeti bulunmamaktadır. Bu nedenle SMSM ler kalkış yapabilmek için sürücü sistemine ihtiyaç duyarlar. ASM ve SMSM deki ortak avantajlar araştırmacıları bu iki motorun yapısını birleştiren hibrit bir yapıya yöneltmiştir. Son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlanan Şebeke Manyetik Demagnetizasyon Arızası Sargı ı ŞKDMSM Elektriksel Rotor Çubuk Kırığı Arızası Şekil 1: ŞKDMSM de oluşan arızalar Eksenden Kaçıklık Mekaniksel Rulman ı 371
Manyetik arızalar; mıknatıslarda meydana gelen demagnetizasyon arızası ve mıknatıs kırılmalarıdır. Rotorda meydana gelebilecek mekaniksel zorlanmalar ve ısısal değişimler bu arızanın oluşumunun en önemli kaynaklarındandır[8]. Elektriksel arızalar; stator sargı arızaları, rotor çubuk kırığı arızası ve rotor çubuğu halkası kırığı arızasıdır. Bu arızalardan sargı arızaları, genellikle rotorun statora sürtmesi, elektriksel ve manyetik zorlanmalar sonucunda sargılarda oluşan kısa devre durumlarıdır[9]. Mekanik arızalar; eksenden kaçıklık ve rulman arızası olarak sınıflandırılmaktadır. Mekaniksel arızaların temel kaynaklarını, motor yük eksenlenmesinde meydana gelen bozukluklar, ani yük değişimleri, toz nem vb. dış ortam etkileri oluşturmaktadır[3,10]. Bu arızalardan en sık karşılaşılanlardan biriside eksenden kaçıklık arızasıdır. Eksenden kaçıklık arızası; stator ve rotor arasındaki eşit olmayan hava boşluğu sonucu meydana gelir. Üreticiler tarafından müsaade edilebilen maksimum eksenden kaçıklık oranı %5-10 arasındadır. Eksenden kaçıklık arızası motor üzerinde, hava aralığında akı yoğunluğu, harmonik bileşenlerinde artış, vuruntu momentleri oluşumu, ortalama momentte azalma, aşırı ısınma ve gürültü seviyelerinde artış gibi olumsuz etkilere neden olduğundan dolayı minimum seviyede tutulması gerekmektedir. Eksenden kaçıklığın miktarı artıkça rotorun stator sargılarına veya nüvesine sürtme durumu ortaya çıkabilmektedir. Eksenden kaçıklığa sebep olan başlıca etkenler; motor milinin eğilmesi, motorun doğru olarak pozisyonlanamaması, rulman aşınmaları ve oval stator yapısıdır[6,11]. Şekil 2 de de görüleceği gibi statik, dinamik ve karma tip olmak üzere 3 çeşit eksenden kaçıklık arızası vardır. aşınması, mekaniki rezonans vb. gibi etkenler sebep olabilmektedir[10]. Karma eksenden kaçıklık durumunda ise statik ve dinamik eksen kaçıklığı durumları bir arada bulunur. Motor arızalarının tespitinde akım, akı, gerilim, hız, tork vb. birçok veriden yararlanılmaktadır. Motor akım verileri kolay toplanabilmesi ve üzerinde elektriksel, mekaniksel, manyetiksel ve ısısal bir çok bilgiyi taşıması nedeniyle, bunlar içerisinde en yaygın kullanılanıdır. Motordan toplanan veriler sinyal işleme yoluyla analiz edilir. Sinyal işleme, arıza teşhisi yöntemlerinde sinyallerin taşıdığı arıza özelliklerinin doğru bir şekilde elde edilmesi açısından çok önemlidir. Sinyaller çoğunlukla frekans, zaman veya frekans-zaman boyutunda analiz edilirler. Durağan sinyallerin analizinde daha çok zaman ve frekans boyutunda analizler kullanılırken, durağan olmayan sinyallerin analizinde zaman-frekans boyutu analizler tercih edilmektedir[12]. Bu çalışmada ŞKDMSM nin SEK arızasının motor üzerindeki etkileri incelenmiştir. ŞKDMSM de oluşturulan SEK arızası, ANSOFT Maxwell manyetik analiz programı ortamında, Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak modellenmiş ve farklı yük koşulları altında toplanan akım sinyalleri üzerinden arızalı ve sağlam durumlar karşılaştırılmıştır. 2. Motorun Modellenmesi ve arızalı duruma ait motoru, gerçeğe en yakın olarak modelleyebilmesi nedeniyle SEY, motorların izlenmesi ve arıza teşhisinde en çok kullanılan yöntemlerdendir. Elektrik makinalarının SEY ile geçici durum analizlerinde problemleri çözmek için Maxwell eşitlikleri kullanılır[2]. Elektriksel alan şiddetini E, akım yoğunluğunu J, arasındaki ilişki; J = σe (1) şeklinde ifade edilir. Bu şartlarda indüklenen alanın ifadesi; a b c Şekil 2: Eksenden kaçıklık arızaları: a) Statik eksenden kaçıklık b) Dinamik eksenden kaçıklık c) Karma eksenden kaçıklık Statik eksenden kaçıklık(sek) durumunda rotor ekseninin merkezi stator ekseninin merkezinden farklı sabit bir eksende döner. Statik kaçıklığa stator nüvesinin ovalliği veya rotor konumunun yanlış konumlandırılması sebep olabilmektedir[10]. Dinamik eksenden kaçıklık durumunda rotor ekseni merkezi, stator ekseninin merkezi etrafında sürekli döner. Bu olaya rotor milinin eğikliği, rulman xe = xa (2) şeklinde tanımlanır. Burada A, manyetik vektör potansiyelinin rotasyoneline eşittir. İki boyutlu problemde elektriksel alan aşağıdaki gibi tanımlanır, Bu ifade eşitlik (1 ) de yerine konulursa, E = (Ax V) (3) J = σa σ V (4) 372
İfadesi elde edilir. Akım yoğunluğu ifadesi manyetik vektör potansiyeli ve gerilim değerinin gradyantına göre aşağıdaki gibi ifade edilebilir, x ( 1 μ(b) xa) = σa σ V + J kaynak (5) durumda rotor stator arası hava aralığı 1 mm uzunluğundadır. Şekil 4 de sağlam ŞKDMSM nin manyetik akı yoğunluğu dağılımı verilmiştir. Bu şekilden görüleceği gibi motorun hava aralığında herhangi bir simetrisizlik bulunmadığından, manyetik akı dağılımı rotor, stator ve hava aralığında düzgündür. Burada µ, ortamın manyetik geçirgenliğini, V ise 2 boyutlu çözümlerde iletken malzeme dışında kalan bölgedeki gerilim değerinin gradyantını ifade eder. Bilgisayarlarda SEY analizleri karmaşık hesaplamalardan dolayı uzun zamanlar alabilmektedir. Bu nedenle elektrik makinaları için bu analizler yapılırken, tam modeller yerine, örneklenebilir en küçük model tercih edilmektedir. Fakat eksenden kaçıklık arızası motorun tüm hava aralığında etkili olduğu için burada yapılacak analizler ŞKDMSM nin tam modelleri üzerinden yapılmıştır. Şekil 3 de ŞKDMSM nin kesitsel şekli görülmektedir. Şekil 4: durum ŞKDMSM de SEK arızası iki farklı arıza seviyesinde oluşturulmuştur. Rotor sabit bir düzlemde 0,4 mm kaydırılarak statik eksenden kaçıklık 1(), 0,8 mm kaydırılarak statik eksenden kaçıklık 2 () oluşturulmuştur. Şekil 3: ŞKDMSM nin kesitsel şekli ŞKDMSM nin SEY ile analiz edilebilmesi için gerçek sisteme en yakın şekilde modellenmesi ve uygun şekilde çalıştırılması gerekir. Modellemede kullanılan ŞKDMSM nin motor parametreleri Çizelge 1 de verilmiştir. Şekil 5 de SEK arızası durumunda ŞKDMSM nin manyetik akı yoğunluğu dağılımı verilmiştir. SEK arızası bir bölgede hava aralığını azaltırken tam zıttı bölgede artırmış ve hava aralığında bölgesel olarak değişken relüktans oluşumuna neden olmuştur. Bu durum ise hava aralığında düzensiz akı dağılımını meydana getirmiştir. Çizelge 1:ŞKDMSM nin elektriksel ve fiziksel parametreleri ŞKDMSM Kutup sayısı : 4 Anma Hızı :1500d/d Stator dış çapı :160mm Rotor dış çapı :97.9 mm Stator boyu :121 mm Stator oluk sayısı :36 Rotor oluk sayısı : 28 Frekans :50 Hz Şekil 5: SEK Arızalı durum 373
3. Güç Spektrum Yoğunluğu Frekans boyutunda analizde temelde bir sinyal farklı sinüs sinyallerine ayrıştırılarak analiz edilir. Periyodik özelliğe sahip bir sinyal için yapılan bu ayrıştırmaya Fourier Dönüşümü denir[12]. Bu yöntem Jean Baptiste Joseph Fourier tarafından 1807 de ortaya atılmıştır. Fourier dönüşümü durağan sinyallerin spektrum analizinde başarılı sonuçlar verirken durağan olmayan sinyaller için yetersiz sonuçlar vermektedir. Fourier dönüşümü ortaya çıktıktan sonra çeşitli araştırmacılar tarafından geliştirilmiştir. Cooley ve Tukey (1965) Hızlı Fourier dönüşümü ile Fourier dönüşümünü çok daha hızlı bir şekilde uygulanabileceğini göstermiştir. Elektrik motorlarında arıza teşhisi amacıyla kullanılan sinyaller belirli zaman aralığında sınırlı sayıda örnek içermektedir. Bu nedenle sonsuz toplama işlemi ortadan kalktığı için uygulamalarda daha çok Eşitlik 6 daki Ayrık Fourier Dönüşümü (AFD) kullanılmaktadır. Akım(A) 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8 t==0.0641sn detayı Şekil 6: ve arızalı durumlar için ŞKDMSM nin akım sinyalleri Yukarıdaki grafikte verilen sinyaller incelendiğinde sinyalin tepe noktalarında sağlam duruma göre bozulmalar görülmektedir. 7.707A, 7.54A 7.512A değerlerindedir. 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Zaman(sn) N 1 ( ) X k n 0 x( n) e k j2 n N k 0,1,..., N 1 (6) Akımların güç spektrum yoğunlukları alındığında sağlam ve arızalı durumların frekans boyutundaki harmonikleri ortaya çıkmıştır. Bu durum boş çalışma için Şekil 7 deki grafiklerde görülmektedir. Burada; N belirli bir sayıda örnek içeren X sinyalinin uzunluğunu göstermektedir. Fourier dönüşümü ile çıkarılan özellikler genellikle güç spektrum yoğunluğu kullanılarak hesaplanmaktadır. Güç spektrum yoğunluğu, AFD kullanarak sinyali frekans bölgesine taşır. X(k) işaretine sahip bir sinyalin güç spektrum yoğunluğu, Eşitlik 7 ile hesaplanabilir[13]. S 1 2 N X ( ) ( k) k xx (7) Genlik(dB) 10 5 10 0 10-5 20 30 40 50 60 70 80 Frekans(Hz) Şekil 7: Boş çalışmada ve Arızalı durumlardaki motor akım spektrumları 4. Simülasyon Sonuçları Arıza teşhisi motor akım sinyalleri üzerinden analiz edilmiştir. Motor akım sinyalleri 2.5sn zaman süresince 10 khz örnekleme frekansı ile toplanıp Matlab ortamında kayıt altına alınmıştır. Şekil 6 da arızalı ve sağlam koşullarda ŞKDMSM den toplanan akım sinyallerinin grafikleri görülmektedir. Boş çalışmada harmonik bileşenlerini taşıyan yan bant frekansları olan 25 Hz -75 Hz de; durum için 50 Hz lik ana frekansın dışında herhangi bir harmonik bileşeni hemen hemen yokken, durumunda 0,012-0,085dB ve durumunda 0,6024-6,6 db harmonikler görülmektedir. 374
Motorun nominal yüklü çalışmasından elde edilen motor akım spektrumları Şekil 8 de görülmektedir. Genlik(dB) 10 5 10 0 10-5 20 30 40 50 60 70 80 Frekans(Hz) Şekil 8:Yüklü çalışmada ve Arızalı durumlardaki motor akım spektrumları Yüklü çalışmada 25 Hz -75 Hz de; durum için yaklaşık 0 db, durumunda 0,14-0,26 db ve durumunda 3,62-6,28 db harmonikler görülmektedir. [7] Stephens, C.M., Kliman, G.B., Boyd, J., A line-start permanent magnet motor with gentle starting behavior, Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 1998, 371-379. [8] Eker M., Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Demagnetizasyon Arızasının Tespiti, GOP Üni. Y.Lisans Tezi, 2013. [9] Kim, B.T., Kim, Y.K., Kim, D.J.; Analysis of squirrel cage effect in single phase lspm, KIEE International Transactions on EMECs, 4-B, 2004, 190-195. [10] Nandi, S.; Toliya,t H.A.; Li X., Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Machines - A Review, Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference Thirty-Forth IAS Annual Meeting,1999, 197-204. [11] Polat A., Asenkron Motorda Eksen Kaçıklığının Analizi, İTÜ Y.Lisans Tezi 2013 [12] Proakis, J. G. and Manolakis, D., Digital Signal Processing, Prentice Hall, New Jersey, 2007. [13] Arabacı, H.; Bilgin, O.; Ceylan, M.; Ceylan, R., Asenkron Motorlarda Kırık Rotor Çubuğu ının Yapay Sinir Ağları ile Teşhisi, ELECO 2004 Elektrik Elektronik Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, 2004. 5. Sonuçlar Bu çalışmada SEY ile modellenmiş ŞKDMSM nin sağlam ve SEK arıza durumları için motor akımları izlenmiştir. Toplanan akım sinyalleri zaman ve frekans boyutunda karşılaştırılmıştır. Zaman boyutunda sağlam duruma nazaran arıza durumlarında sinyal bozulmaları görülmüştür. Arıza seviyesinin büyümesi bu bozulmaları da arttırmıştır. Frekans boyutunda analiz için güç spektrum yoğunluğu kullanılmıştır. durumda neredeyse hiç harmonik bileşeni görülmezken, arıza durumları ana frekansın alt bant (25 Hz) ve üst bandı (75Hz) frekanslarda harmonikler ortaya çıkarmıştır. Yük durumu bu frekanslardaki harmoniklerin genliklerini artırmıştır. 6. Kaynaklar [1] Fırat A., Tek Fazlı Şebeke Kalkışlı Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor, İTÜ Y.Lisans Tezi, 2006. [2] Akar M., Fenercioğlu A., Soyaslan M., Asenkron Motorlarda Rotor Çubuk Kırık Arızasının Elektromanyetik Tork ile Tespiti 6. International Advanced Technologies Symposium Elazığ, Turkey 16-18 May 2011, 142-146. [3] Hatık G., İngenç E., Akar M., "Doğrudan Yolvermeli Sabit Mıknatıslı Senkron Motorda Rotor Çubuk Arızasının İncelenmesi" ISITES 2014 Karabuk, TÜRKİYE, 1381-1388. [4] Doğan Z., Ayrıklaştırma Yöntemleri ve Yapay Sinir Ağı Kullanarak Asenkron Motorda Arıza Teşhisi, Marmara Üni. Doktora Tezi, 2012. [5] Miller, T.J.E., Synchronisation of line start permanent magnet motors, IEEE Trans. Power. App. Syst., Vol PAS-103 No.7, 1984, 1822-1828. [6] Rahman, M.A., Osheiba, A.M., Performance of large line-start permanent magnet synchronous motors, IEEE Trans. Energy Conversion 5, 1990, 211-217. 375