6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Asenkron Motorlarda Rotor Çubuğu Kırık Arızasının Elektromanyetik Tork ile Tespiti M. Akar 1, A. Fenercioğlu 2, M. Soyaslan 3 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Mekatronik Müh. Böl., Tokat/Türkiye 1 mehmetakar@gop.edu.tr, 2 af@gop.edu.tr, 3 msoyaslan@gop.edu.tr The Diagnosis of Rotor Bar Broken Fault in Asynchronous Motor with Electromagnetic Torque Abstract Asynchronous motors have been the first place of the most often used actuators in the industry because of the simple structure, inexpensive price and stability of working. Condition monitoring of these motors is very important because faults of these motors lead to both decreasing of manufacturing power and increasing of the repair and cost prices. Asymmetry that caused by the rotor broken bar fault, decreases the average value of the motor electromagnetic torque, at the same time reveals the additional frequency components of the electromagnetic torque spectrum. In this presented study, induction motor, is modeled with Finite Element Method and subjected to transient state analysis. The motor starting current and starting torque signal were monitored while there was different number of robust and rotor broken bar fault. The effect of rotor broken bar fault on electromagnetic torque analysis was carried out with graphical results. Keywords Rotor broken bar fault, fault diagnosis I. GİRİŞ Elektrik motorları sanayinin en önemli tahrik elemanlarından biridir ve çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu motorlardan birisi olan asenkron motorlar; yapılarının basit, fiyatlarının ucuz olması ve kararlı çalışmaları sebebiyle endüstride en sık kullanılan tahrik elemanlarının başında gelmektedirler. Çok yaygın olarak kullanılan asenkron motorların arızalanmaları hem üretim gücünü düşürür, hem de bakım ve maliyet masraflarını artırır [1]. Asenkron motorlarının arızalarının kaynağına bakıldığında 4 ana unsurun ön plana çıktığı görülmüştür. Bu arızaların uluslararası ölçütlere göre dağılımı tablo 1 de görülmektedir. Tablo 1: Elektrik motor arızalarının dağılımı [2] IEEE-IAS (%) EPRI (%) Rulman Arızaları 44 41 Sargı Arızaları 26 36 Rotor Arızaları 8 9 Diğer Arızalar 22 14 Bu arızalar şekil 1 deki gibi ayrıntılı olarak sınıflandırılabilir. Şekil 1: Elektrik motor arızaları [2] Asenkron motorlarda rotor yapıları yıllar boyunca çok az değişime uğramıştır [3]. Endüstride kullanılan asenkron motorlarda sincap kafesli rotor yapısı daha fazla tercih edilmektedir. Zamanla rotorda bazı arızalar meydana gelmektedir. Oluşan bu arızaların birkaç sebebi vardır. Bunlar [4]: o Termal olarak aşırı yüklenmeden dolayı oluşan kayıplar ve çubuklardaki gözenekler o Düzensiz manyetik çekimlerden dolayı oluşan gürültü, titreşim o Üretici hatasından dolayı oluşan hatalar o Motor milindeki yükün oluşturduğu tork, merkezkaç o ve dairesel dönmeden dolayı oluşan hatalar Nem, kimyasal, kir gibi çevresel şartlardan dolayı oluşan arızalardır. Motor akım sinyallerin analizi; rotor çubuğu kırığı arızası, eksenden kaçıklık arızası, stator sargılarında kısa devre arızası ve diğer mekaniksel arızaların tespitinde uzun yıllardır kullanılmaktadır []. Ancak bu yöntemde rotorda meydana gelen arızanın seviyesini belirlemek zordur [6]. Bu durum araştırmacıları stator akımlarının Park dönüşümü, ani gücün izlenmesi, elektromanyetik tork sinyalinin analizi vb. yöntemleri kullanmaya yöneltmiştir [7-11]. Elektromanyetik tork sinyali motor akısı, stator ve rotor akımları ile ilgili bilgi içermesi sebebiyle asimetrik çalışma koşullarından fazlasıyla etkilenmektedir. Rotor arızası bulunan bir motorda meydana gelen simetrisizlik rotor döner alanında pozitif ve negatif bileşenlerin ortaya çıkmasına sebep olur [1]. Rotor döner alanda meydana gelen negatif yöndeki bileşenin stator döner 142
M. Akar, A. Fenercioğlu, M. Soyaslan alanıyla etkileşmesi sonucu elektromanyetik tork spektrumunda kaymaya ve motor çalışma frekansına bağlı olarak yeri 2 sfs ' ye bağlı frekans bileşeni ortaya çıkar. s motor kaymasını, f s besleme frekansını temsil etmektedir. Bu frekans bileşenini kullanılarak hata tespiti yapmak mümkündür. II. ARIZALI MOTORUN MODELLENMESİ Sağlam ve arızalı duruma ait karakteristik bilgilerin gerçeğe en yakın şekilde modellenebilmesinden dolayı asenkron motorların izlenmesi ve hata teşhisinde Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) en sık kullanılan benzetim yöntemlerinin başında gelmektedir [12]. Asenkron motorun SEY ile analize hazır hale gelebilmesi için temel büyüklüklerin ayarlanması ve gerçek sisteme en yakın şekilde modellenmesi gerekir. Bunun için motorun bazı fiziki ve elektriksel büyüklüklerinin hesaplanması veya ölçülmesi gerekir. Modellemede kullanılan asenkron motorun etiket değerinde yazan elektriksel ve ölçülerek hesaplanan fiziksel parametreleri tablo 2' de verilmiştir. Tablo 2: Model motor parametreleri Mil gücü Anma gerilimi Anma hızı 3.7 kw 22/38 ( /Y ) 1421 d/d Stator dış çapı Rotor dış çapı 89. Mil çapı 1 mm mm 36 mm Derinlik 13 mm Stator oluk sayısı 36 Rotor oluk sayısı 28 Stator oluk boyu Kısa devre halkası Kısa devre halkası 14.7 mm yüksekliği 13. mm genişliği 1.6 mm Bu veriler doğrultusunda motorun boş, anma, kısa devre ve devrilme moment, akım ve kayıpları hesaplanarak gerçeğe en yakın şekilde modelleme yapmak mümkündür. Modelleme yapılırken şekil 2' de verilen akış diyagramındaki işlem basamakları takip edilmiştir. gerçekleştirilebilir. SEY analitik motor teorisi ve eşdeğer devre yöntemlerini esas alarak, doğrusal olmayan malzemelerin etkilerini üçüncü boyutu da göz önünde bulundurarak modellenen motoru inceler. Geçici durum analizinde belirli zaman aralıklarıyla motorun bir periyot boyunca manyetik alan, enerji, güç, kayıp hız ve akı değerlerine ulaşılabilmektedir [13]. Geçici durum analizinde bazı varsayımlar kabul edilir. Bunlar; Modelde herhangi bir hareket varsa "band" bölgesinde gerçekleştiği, dış bölgelerin sabit olduğu kabul edilir. Model üzerinde açısal yada dairesel harekete izin verilir. Tanımlanan band nesnesi içerisinde hareket edebilen kısım birden fazla olabilir. Geçici durum analizinde motora ait zamana bağlı manyetik alan ifadeleri Maxwell eşitlikleri kullanılarak hesaplanabilir [14]. Elektriksel alan şiddeti ve akım yoğunluğu arasındaki ilişki eşitlik 1 ile ifade edilebilir. Eşitlikte kullanılan J akım yoğunluğunu, E ise elektrik alan şiddetini temsil eder. J E (1) Bu durumda indüklenen alan ifadesi ise; xe xa (2) şeklinde tanımlanır. Eşitlikte kullanılan A manyetik vektör potansiyelinin negatif rotasyoneline eşittir. 2 boyutlu problemlerde elektriksel alan eşitlik 3 ile tanımlanır. E ( Ax V) (3) Eşitlik 3' ün ifadesi eşitlik 1' de yerine konulursa; Motor seçimi Motor güç, kutup sayısı,frekans, hız ve gerilim bilgisinin Sonuçların eldesi ve modelin başka programa aktarımına hazır hale gelmesi Çözümün gerçekleştirilmesi J A V (4) ifadesi elde edilir. Akım yoğunluğu manyetik vektör potansiyeli ve gerilim değerinin gradyantına göre eşitlik gibi ifade edilebilir. 1 x( xa) A V J kaynak () ( B) Motora ait geometrik yapının Sargı yapısı ve laminasyonun Yük tipinin seçimi (Sabit güç, hız, moment) Kullanılan malzemelerin BH eğrilerinin Şekil 2: Modelleme akış diyagramı [13] Modelleme sonucu elde edilen geometri ve sonuçlar kullanılarak asenkron motorun SEY ile analizi Eşitlikte kullanılan ifadesi ortamın manyetik geçirgenliğini ifade ederken, V ise 2 boyutlu çözümlerde iletken malzeme dışında kalan bölgedeki gerilim değerinin gradyantını ifade eder. SEY eşitlik ifadesini karışık bir frekans değerinde dalgalanan alanların çözümünde kullanırken, frekans değişimi olduğunda manyetik vektör potansiyelinin fazör değişimi de yapılır. Bu vasıtayla A değerinin genlik ve faz açısı hesaplanır. Geçici durum analizinde elde edilen model simülasyon süresinin ve kullanılan matris sayısının azaltılması amacıyla 3/4 oranında düşürülerek kullanılmıştır. Geçici durum analizi için kullanılan model şekil 3' de görülmektedir. 143
Asenkron Motorlarda Rotor Çubuğu Kırık Arızasının Elektromanyetik Tork ile Tespiti Stator Sargılar 1 Rotor çubuğu Rotor Mil - -1 1 1 2 c) 1 Şekil 3: Asenkron motorun SEY modeli III. SİMÜLASYON SONUÇLARI Yapılan simülasyon çalışmasında asenkron motor sağlam, 1 rotor çubuğu kırık, 2 rotor çubuğu kırık, 3 rotor çubuğu kırık ve 4 rotor çubuğu kırık arızası mevcut durumda yüksüz ve tam yük altında çalıştırılmıştır. Yapılan çalışmada simülasyon süresi. saniye ve adım süresi de. saniye olarak seçilmiştir. Sağlam motorda stator ve rotor arasındaki manyetik alan dağılımı simetriktir. Rotor çubuğu arızası oluşması durumunda kırık çubuklar üzerinde akım dolaşmayacağından manyetik alanda bir simetrisizliğe ve kırık çubuklar civarında rotor ve statorda kısmi doyuma sebep olur. Bu durum aynı zamanda motorun kalıcı durumdaki akım dalga şekillerinde de bozulmaya sebep olur. Sağlam ve değişik sayıda rotor çubuğu kırık arızası durumundaki motor tam yük kalıcı durum faz akımları şekil 4' de görülmektedir. 1 - -1 1 1 2 d) 1 - -1 1 1 2 e) Şekil 4: Asenkron motor faz akım sinyalleri, a) Sağlam, b) 1 çubuk kırık, c) 2 çubuk kırık, d) 3 çubuk kırık, e) 4 çubuk kırık Şekil 4-a,b,c,d,e incelendiğinde rotor çubuğu kırığı adeti artıkça motor faz akımının dalga şeklindeki bozulmalarının (1-1 ms arası) da arttığı görülmektedir. Ayrıca rotor çubuğu kırığı sayısının artışı motor yol alma akımını artırırken, kalıcı durum akımının ortalama değerinde de azalmaya sebep olmaktadır. Bu durum tablo 3' de daha net görülmektedir. - -1 1 1 2 a) 1 Tablo 3: Sağlam ve arızalı motor akım değerleri Kırık çubuk sayısı Yol alma akımı (A) Kalıcı durum akımı (A) 33.1 6.8 1 34.18 6.76 2 3.17 6.74 3 3.48 6.71 4 37.11 6.67 - -1 1 1 2 b) Tablo 3 incelendiğinde sağlam ve arızalı durum için akım değerlerinde özellikle kalıcı durum için değişimin çok fazla olmadığı gözlenmiştir. Ayrıca yükteki küçük bir salınımın da motor akımının ortalama değerinde değişimler yapacağı göz önünde bulundurulmalıdır. Motor sağlam ve rotor çubuğu kırık durumdaki tam yük elektromanyetik tork sinyalleri izlenmiş ve şekil ' de sunulmuştur. 144
M. Akar, A. Fenercioğlu, M. Soyaslan 4 2-2 -4 1 2 3 4 a) 4 2-2 -4 4 2-2 -4 1 2 3 4 b) -6 1 2 3 4 c) 4 2-2 -4-6 4 2-2 -4-6 1 2 3 4 d) -8 1 2 3 4 e) Şekil : Asenkron motor elektromanyetik tork sinyalleri, a) Sağlam, b) 1 çubuk kırık, c) 2 çubuk kırık, d) 3 çubuk kırık, e) 4 çubuk kırık Arızalı durum yol alma anında yüksek yol alma akımı sebebiyle motor manyetik akı ve manyetik akı yoğunluğu değeri de yüksektir. Bundan dolayı rotor ve stator arasındaki özellikle de stator oluk ağzı bölgesinde relüktans düşer. Motor stator oluk ağzı bölgesinde manyetik vektör potansiyeli artar, motor kalkışta yüksek bir elektromanyetik tork üretir. Buna karşın kalkıştaki manyetik satürasyon mıknatıslanma ve özindüktans değerlerini düşürür. Buna bağlı olarak da elektromanyetik tork sinyalinin ortalama değeri düşer. Tablo 4' te motor tam yük yol alma ve kalıcı durum tork değerleri verilmiştir. Tablo 4: Sağlam ve arızalı motor elektromanyetik tork değerleri Kırık çubuk sayısı Yol alma torku (Nm) Kalıcı durum torku (Nm) -37.6 23.9 1-41.28 21.4 2-8.12 18.2 3-9.7 1. 4-68.49 12.9 Elektromanyetik tork sinyalindeki arızalı durum ile ilgili değişim motor boş çalışma elektromanyetik tork sinyalinde de gözlemlenmiştir. Motor kalkış torkundaki değişim sağlam durumdaki tork değerine göre daha yüksek olmasına karşın kalıcı durumdaki salınım yüklü durumdaki kadar net olarak ayırt edilememektedir. 2-2 -4 Sağlam -6 4 çubuk kırık -8 1 1 2 Şekil 6: Asenkron motor yüksüz elektromanyetik tork sinyalleri Rotor döner alanda meydana gelen simetrisizlik sonucu elektromanyetik tork spektrumunda kaymaya ve motor çalışma frekansına bağlı olarak yeri 2 sfs ' ye ( s =.2, f s = Hz) bağlı frekans bileşeni ortaya çıkar. Bu frekans bileşeninin genlik değişimi ile motor rotor arızası hakkında bilgi sahibi olunabilir. Bu durum normalize edilmiş tork spektrumunda daha net görülmektedir. 14
Genlik (Nm) Asenkron Motorlarda Rotor Çubuğu Kırık Arızasının Elektromanyetik Tork ile Tespiti.2.1.1. Sağlam 1 kırık 2 kırık 3 kırık 4 kırık 2 4 6 8 1 Frekans (Hz) Şekil 7: Asenkron motor elektromanyetik tork spektrumu Normalize edilmiş tork spektrumu incelendiğinde sağlam durumda 2sfs frekansındaki genlik değeri.37 Nm' den 1 çubuk kırık arızasında.6 Nm' ye, 2 çubuk kırık arızasında.97 Nm' ye, 3 çubuk kırık arızasında.13 Nm ye ve 4 çubuk kırık arızasında ise.19 Nm' ye yükselerek yaklaşık katlık bir genlik artışı göstermiştir. IV. SONUÇLAR Yapılan çalışmada sincap kafesli asenkron motorun rotor çubuğu arızası SEY ile incelenmiştir. Sağlam, 1, 2, 3 ve 4 rotor çubuğu kırık durumlarında motorun yüksüz ve tam yük çalışmada çektiği akımlar ve ürettiği elektromanyetik tork sinyalleri izlenmiştir. Motor faz akımları incelendiğinde arızalı durumda yol alma akımlarının genlik değerlerinde arıza miktarına göre bir artış gözlemlenirken, motor kalıcı duruma geçtiğinde çektiği akımın ortalama değerinde arıza miktarına bağlı olarak bir düşüş gözlemlenmiştir. Sağlam ve arızalı durum arasındaki genlik değişimi özellikle kalıcı durumda çok ayırt edici değildir. Ayrıca yükteki küçük salınımların da akım genlik değerinde değişimlere yol açabilmektedir. Bu sebeple elektromanyetik tork sinyali izlenmiştir. Çünkü elektromanyetik tork; motor akısı, stator ve rotor akımları ile ilgili bilgi içermektedir. Elektromanyetik tork sinyali izlendiğinde sağlam ve arızalı durum birbirinden çok net olarak ayırt edilebilmektedir. Arızalı durumda kalkış torkunda sağlam duruma göre büyük bir genlik değişimi olurken kalıcı durum torkunun ortalama değerinde de arıza miktarına göre bir düşüş ve salınım gözlemlenmiştir. Bu durum ilgili şekil ve tablolarda sunulmuştur. Ayrıca arıza durumunda hava aralığında meydana gelen simetrisizlik elektromanyetik tork spektrumunda bir frekans bileşeni ortaya çıkarmıştır. Bu frekans bileşenindeki genlik değişimi arıza seviyesi ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Sonuç olarak arıza ile ilgili izlenen sinyalin sayısındaki artışın arıza durumu ile ilgili daha net bilgiler verdiği bir gerçektir. Elektromanyetik tork sinyalinin akı, stator ve rotor akım bilgilerini içermesi rotor çubuğu kırık arızası hakkında daha detaylı bilgi sunmuştur. Bu bilgiler kullanılarak rotor çubuğu kırığı arızası çok net teşhis edilebilmektedir. KAYNAKLAR [1] M. Akar, İ. Çankaya, Evirici ile Sürülen Asenkron Motorlarda Rotor Çubuğu Kırık Arızasının Tespiti, IATS' 9, Uluslarası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, 29. [2] C. Yeh, A. Sayed-Ahmed, R. Povinelli, A Reconfigurable Motor for Experimental Emulation of Stator Winding Inter-Turn and Broken Bar Faults in Polyphase Induction Machines, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 23, No. 4, pp. 1-114, December. 28. [3] G. B. Kliman, W. J. Premerlani, R. A. Koegl, and D. Hoeweler, A new approach to on-line fault detection in ac motors, Proceedings of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting Conference, pp. 687 693, San Diego, CA, 1996. [4] S. Nandi, H.A. Toliyat, and X. Li, Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Machines-A Review, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 2, No. 4, pp. 719-729, December. 2. [] J. Cusidó, J. Rosero, J.A. Ortega, A. Garcia, L. Romeral, Fault Detection in Induction Machines Using Power Spectral Density in Wavelet Decompositions, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.,pp. 633-643,February 28. [6] A. Belling, F. Filippetti, G. Franceschini, C. Tassoni, G.b. Kliman, Quantitave evaluation of induction motor broken bars by means of electrical signature analysis, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 37, No., pp. 1248-12, April, 21. [7] Z. Liu, X. Yin, et al., On-line monitoring and diagnosis way based on spectrum analysis of Hilbert modulus in induction motors, Procedings of the CSEE, Vol. 23, No.7, pp. 18-161, 23. [8] X. Hou, G. Wu, et al., A method for detecting rotor faults in asynchronous motors based on the square of the park s vector modulus, Proceedings of the CSEE, Vol: 23, No:9, pp: 137-14, 23. [9] S. M. A. Cruz, A. J. Marques Cardoso, Rotor cage fault diagnosis in three-phase induction motors by the total instantaneous power spectral analysis, Industry Applications Conference, pp.1929 1934,1999. [1] A. M. Trzynadlowski, Ewen Ritchie, Comparative investigation of diagnostic media for induction motors: A Case of Rotor Cage Faults, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol.47, No., pp.192 199, 2. [11] J. S. Hsu, Monitoring of defects in induction motors through air-gap torque observation, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 31, No., pp.116 121, 199. [12] F. Jawad, M.E. Bashir, A New Pattern for Detecting Broken Rotor Bars in Induction Motors During Start- up, IEEE Trans. on Mag., Vol.44, No.12, pp.4673-4683, Dec., 28. [13] D., Bayram, Zaman Harmonikli Gerilimlerin Kafesli Asenkron Makinada Yarattığı Etkilerin Sonlu Elemenlar Yöntemi İle İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü., 29. [14] M. Tezcan, İ. Çanakoğlu Asenkron Motorlarda Kırık Rotor Barı Arızalarının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile İncelenmesi, IATS' 9, Uluslarası İleri Teknolojiler Sempozyumu, Karabük, 29. 146