5. Uluslararası İleri Teknljiler Sempzyumu (IATS 9), 13 15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye EVİRİCİ İLE SÜRÜLEN ASENKRON MOTORLARDA ROTOR ÇUBUĞU KIRIK ARIZASININ TESPİTİ THE DIAGNOSIS OF ROTOR BAR BROKEN FAULT IN ASYNCHRONOUS MOTOR DRIVED BY INVERTER Mehmet AKAR a* ve İlyas ÇANKAYA a a* Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, E-psta: mehmetakar_6@htmail.cm, icankaya@sakarya.edu.tr Özet Asenkrn mtrlar; yapılarının basit, iyatlarının ucuz lması ve kararlı çalışmaları sebebiyle endüstride en sık kullanılan tahrik elemanlarının başında gelmektedirler. Bu mtrların arızalanmaları hem üretim gücünün düşmesine hem de bakım ve maliyet masralarının artmasına neden lduğundan sürekli izlenmeleri büyük önem arz etmektedir. Mtr arızalarının tespitinde mtr akım işaretlerinin izlenmesi ve bu işaretlerin spektral analizi mtrda var lan veya yeni başlamış arızaların yerlerinin tespitinde en çk kullanılan yöntemdir. Sunulan bu çalışmada, mtr statr akımının güç yğunluk spektrumu dönüşümü kullanılarak evirici ile sürülen kararlı durumda çalışan sincap kaesli asenkrn mtrun rtr çubuk arızasının teşhisi deneysel larak gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan her bir arıza durumu için mtr statr akımları kullanılan sürücüye ait yazılım ile bilgisayar rtamına taşınmış ve harmnikleri elde edilmiştir. Rtr çubuğu kırığı arızasının akım spektrumundaki etkisi rtaya çıkan graiksel snuçlar üzerinde gösterilerek analizi gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: Rtr Çubuk Kırılması, Arıza Teşhisi Abstract Asynchrnus mtrs have been the irst place the mst ten used actuatr in the industry because the simple structure, inexpensive price and stability wrking. Cnditin mnitring these mtrs is very imprtant because aults these mtrs lead t bth decreasing manuacturing pwer and increasing the repair and cst price. Mnitring mtr current signs and spectral analysis these signs are mst used methd r diagnsis aults which has been in mtrs r just started. In this reprted study, diagnsis rtr bar brken ault in squirrel gage asynchrnus mtr which has been wrked stabile cnditin and drived by inverter has been carried ut experimentally by transrming pwer spectrum density mtr statr current. Mtr statr currents upladed t pc with stware used inverter and btained harmnics r every ault cnditin. The eect rtr bar brken n the current spectrum indicated n the results displayed graph diagram and carried ut analysis. Keywrds: Rtr bar brken, Fault Diagnsis 1. Giriş Elektrik mtrları sanayinin en önemli tahrik elemanlarından biridir ve çk geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu mtrlardan birisi lan asenkrn mtrlar; yapılarının basit, iyatlarının ucuz lması ve kararlı çalışmaları sebebiyle endüstride en sık kullanılan tahrik elemanlarının başında gelmektedirler. Bu mtrlarda da geleneksel yl verme yöntemlerinin yerine eviriciler daha çk tercih edilmektedir. Eviriciler girişlerine uygulanan sabit genlikli dğru gerilimi çıkışlarında istenilen rekansa ve etkin değere dönüştürebilen, 1-3 azlı larak yapılabilen, yarı iletken teknljisinin gelişmesiyle çıkışında sinüsidal gerilim dalga şekli elde edilebilen sürücülerdir. Çk yaygın larak kullanılan asenkrn mtrların arızalanmaları hem üretim gücünü düşürür, hem de bakım ve maliyet masralarını artırır. Üreticiler ve kullanıcılar ilk zamanlarda mtrlarını krumanın ylunun aşırı akım ve gerilimden krumak lduğunu sanırlardı[1]. Ancak ilerleyen yıllarda mtr hatalarının ldukça çeşitli lduğu görülmüştür. Elektrik mtrlarının izlenmesi ve hata teşhisi sn yıllarda üreticilerin ve kullanıcıların önemli çalışma alanlarının başında gelmektedir. Bunun sebebi ise [2]; Mtrların çeşitli parçalarının arızalanması Mtr tamiratlarının pahalı lmamasına karşın üretimi aksattığı için maliyetin artması Mtr durumlarının izlenmesinin aydaları; Yakında labilecek arızalar hakkında bilgi sahibi lunur Mevcut bakım ihtiyaçlarını açığa çıkarır Gelecekte hangi parça üzerinde ne zaman bakım yapılması gerektiği anlaşılır Bakım esnasında minimum kesinti sağlanır Hata teşhisinin aydaları ise; Teknik elemanlara azla zaman kaybettirmeden hatanın neden kaynaklandığını ve nerede lduğu bilgisi aktarılır Belirli aralıklarla yapılan genel tamiratlar hata teşhisi sayesinde rtadan kalkarak zaman kaybına engel lunur [1-2]. Elektrik mtrlarının arızalarının kaynağına bakıldığında 4 ana unsurun ön plana çıktığı görülmüştür. Bu arızaların uluslararası ölçütlere göre dağılımı çizelge 1 de görülmektedir. IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Çizelge 1: Elektrik mtr arızalarının dağılımı [3] IEEE-IAS (%) EPRI (%) Electrical Saety Wrkshp Electric Pwer Research Institute Rulman Arızaları 44 41 Sargı Arızaları 26 36 Rtr Arızaları 8 9 Diğer Arızalar 22 14 Bu arızalar şekil 1 de ki gibi ayrıntılı larak sınılandırılabilir. Şekil 1. Elektrik mtr arızaları [3] Oluşan bu arızaların teşhisinde mtra ait akım, gerilim, hız, trk, sıcaklık ve titreşim gibi sinyaller izlenmektedir. İzlenen bu sinyaller birçk analiz yöntemi ile işlenerek mtr durumu hakkında bilgi sahibi lunmaktadır. Mtr izlenmesi ve hata teşhisinde en sık kullanılan analiz yöntemleri şunlardır [2-3]: Zaman ve rekans byutunda analiz Elektrmanyetik trk ve akının zaman byutunda analizi Sıcaklık ölçümü Mtr akım sinyalleri analizi Titreşim ve gürültü izleme Mtr trk ve hızının harmnik analizi Mdel, yapay zekâ ve yapay sinir ağları tabanlı yaklaşımlar Kullanılan tüm yaklaşımların içinde mtr akım sinyallerini izleme ve analiz metdu elektrik mtr arızalarında sıklıkla kullanılır. Akım sinyallerinin analizi; mtr akımlarının spektral analizi yöntemini kullanır ve rtr çubuğu kırığı [4],eksenden kaçıklık arızası, statr sargılarında kısa devre arızası ve diğer mekaniksel arızaların tespitinde uzun yılladır başarılı bir şekilde kullanılmaktadır [5]. Diğer yandan, mtrun bağlı lduğu sistemlerde genellikle akımı izleyen sensörlerin lması veya evirici ile sürülen mtrlarda sürücü kabiliyetleri sebebiyle ilave sensör ihtiyacı duymaması, yöntemin mtr yükünden ve diğer asimetriksizliklerden etkilenmemesi sebebiyle kullanımının da ucuz ve klay lması bu yöntemi diğerlerine göre bir adım daha öne çıkarmaktadır. 2. Rtr Çubuğu Kırığı Arızası Statra göre rtr yapıları yıllar byunca çk az değişime uğramıştır[6]. Endüstride kullanılan asenkrn mtrlarda sincap kaesli rtr yapısı daha azla tercih edilmektedir. Zamanla rtrda bazı arızalar meydana gelmektedir. Oluşan bu arızaların birkaç sebebi vardır. Bunlar [2]: Termal larak aşırı yüklenmeden dlayı luşan kayıplar ve çubuklardaki gözenekler Düzensiz manyetik çekimlerden dlayı luşan gürültü, titreşim Üretici hatasından dlayı luşan hatalar Mtr milindeki yükün luşturduğu trk, merkezkaç ve dairesel dönmeden dlayı luşan hatalar Nem, kimyasal, kir gibi çevresel şartlardan dlayı luşan arızalardır. Bilindiği üzere simetrik larak yerleştirilen 3 az statr sargıları 3 azlı simetrik kaynaktan beslenirse; statr sargılarında hızı, besleme rekansına bağlı larak ileri yönde döner manyetik alan luşur. Döner manyetik alan içinde kalan rtr sargılarında luşan kısa devre akımına bağlı larak statr döner alanı ile aynı yönde ancak döner alan hızı kaymaya bağlı yeni bir döner manyetik alan luşur. Ancak rtrda arıza luşması durumunda rtr döner alanına ters yönde bir döner alan luşur. Oluşan ters yöndeki bu döner alan statr akımında besleme rekansının sağında ve slunda yan bantlar luşturur. Oluşan bu yan bant rekansları eşitlik 1 de iade edilmiştir. b = ( 1± 2s) (1) Eşitlikte kullanılan s kaymayı, kaynak rekansını iade etmektedir. Oluşan yan bantlardan düşük rekanslı lanı rtr çubuk kırığı ile yüksek rekanslı lan ise rtr kırık çubuğunun hızda meydana getirdiği salınımla ilgilidir. 3. Güç Spektrum Yğunluğu Periydik bir nksiynu luşturan harmnik nksiynları ayırım metduna Furier çevrimi denir. İlk larak 187 yılında Fransız matematikçi Jseph Furier taraından sunulan tereme göre; temel periydu T ( w = 2π / T ) lan sürekli ve bütün nksiynların trignmetrik serilerle iade edilerek analizlerinin daha klay lacağı iade edilmiştir[7]. Furier dönüşümü durağan sinyallerin analizinde başarılı bir şekilde kullanılmış sinyallerin spektrum bilgisini vermesine rağmen zaman bilgisine ulaşılamadığı için durağan lmayan sinyallerde kullanımı yetersiz kalmaktadır. Furier dönüşümdeki bu eksiklik 1946 yılında Denis Gabr taraından sunulan kısa zaman Furier dönüşümü terisi ile çözümlenmeye çalışılmıştır. Gabr a göre belirli aralıktaki sinyalin Furier dönüşümü zaman aralığındaki rekans dağılımını vererek yöntemin kullanımı daha başarılı hale getirmiştir. Bunun için çeşitli pencereleme nksiynları kullanmıştır. Sıklıkla kullanılan pencereleme nksiynlarının başında dikdörtgen, üçgen, hanning, hamming, chebyshev ve kaiser gelmektedir. Bu yöntemde ise aynı pencere kullanılarak işaretin tamamı
analiz edilmeye çalışıldığında tüm rekanslar için sabit çözünürlük vermesi srun luşturmaktadır. Günümüzde kullanılan ve ayrık işaretlerin Furier dönüşümünde etkin bir şekilde kullanılan hızlı Furier dönüşümü 1965 yılında Cley ve Tukey taraından sunulmuştur. Mtr sinyallerinin analizinde de kullanılan ve spektrum analiz, knvlüsyn, krelasyn gibi işlemlerde başarılı snuçlar veren ayrık Furier dönüşümünün bu başarısı hızlı Furier algritmalarından kaynaklanmaktadır. Güç spektrum yğunluğu ise ayrık Furier dönüşümü kullanarak işareti rekans bölgesine taşır[8]. N örnekli bir veri kümesi için Δ rekans çözünürlüğü ve Δ t de örnekleme zamanı lmak üzere mδ rekansındaki dönüşüm: N 1 ( j2πkm/ N) X ( mδ ) = x( kδt) e k= (2) iadesi ile elde edilir. X (t) işaretine ait güç spektral yğunluğu ise; 1 2 S xx ( ) = X ( mδ, = mδ N (3) eşitliği ile hesaplanır. 4. Uygulama Deneysel çalışmada kullanılan mtr; 1,1 kw gücünde 2 kutuplu, 18 rtr çubuğuna sahip sincap kaesli asenkrn mtrdur. Mtr evirici ile sürülmekte, mtr akım ve gerilimi evirici üzerinden bilgisayar prgramı ile izlenmekte ve kayıt altına alınmaktadır. Kullanılan evirici 8 khz ile veri tplamaya uygun yapıdadır. Kullanılan deney düzeneği ve luşturulan arıza durumu sırasıyla şekil 2 ve şekil 3 te görülmektedir. Şekil 3. İki çubuğu kırılmış rtr İlk larak asenkrn mtr yüksüz larak 5 Hz rekansta sürülmüş ve 297 d/d (kayma=,1) çalışırken mtr akım ve gerilimi 2 khz örnekleme rekansı ile 6 saniye byunca kayıt altına alınmıştır. Daha snra mtr sökülmüş bir rtr çubuğu matkapla delinerek arıza luşturulmuş akım ve gerilim değerleri aynı çalışma kşullarında tekrar kayıt altına alınmıştır. Aynı durum suni larak luşturulan 2. kırık rtr çubuğu için tekrarlanmıştır. Mtrda rtr 2 çubuğu kırık arızası mevcut iken 3 Hz de çalıştırılmış akım ve gerilim verileri tekrar kayıt altına alınmıştır. Mtra ait sağlam ve arızalı durumdaki 5 Hz akım sinyalleri zaman byutundaki dalga şekillerinin daha net görülebilmesi için 1 ms lik kısmı şekil 4 ve 5 de görülmektedir. Akim (A) 3 2 1-1 -2-3 2 4 6 Zaman (ms) 8 1 Şekil 4: Sağlam durumdaki mtr akımı 3 2 1 Akim (A) -1 Şekil 2. Deney düzeneği -2-3 2 4 6 Zaman (ms) 8 1 Şekil 5. Arızalı durumdaki mtr akımı
Zaman byutundaki dalga şekilleri incelendiğinde sağlam çalışma ile arızalı durumdaki akım sinyallerinin çk arklı lmadığı görülmektedir. Elde edilen akım sinyalleri Matlab prgramı Sinyal Prcessing Tlbx kullanılarak rekans byutuna taşınmış ve analizi yapılmıştır. Akımların güç yğunluk spektrumu alındığında sağlam ve arızalı duruma ait lan rekans byutundaki harmnikler açığa çıkmıştır. Güç yğunluk spektrumu Welch metdu ve Hann penceresi kullanılarak yapılmış böylece harmnikler daha net açığa çıkmıştır. Akım sinyallerine ait sağlam, bir çubuk kırık ve iki çubuk kırık durumuna ait güç yğunluk spektrumları şekil 6, 7,8 ve 9 da görülmektedir. Şekil 1 da ise elde edilen snuçlar karşılaştırmalı larak sunulmuştur. 6 4 6 4 2-2 -4 26 28 3 32 34 Şekil 9. 2 çubuk kırık durumu için 3 Hz mtr akım spektrumu 2-2 -4 46 48 5 52 54 6 4 2 Saglam 1 çubuk 2 çubuk Şekil 6. Sağlam durumdaki mtr akım spektrumu -2 6 4 2-4 46 48 5 52 54 Şekil 1. Sağlam ve arızalı durumdaki mtr akım spektrumları -2-4 46 48 5 52 54 Şekil 7. 1 çubuk kırık durumu için mtr akım spektrumu 6 4 2 Şekil 11. Sağlam durumundaki mtr akım yüzeyi -2-4 46 48 5 52 54 Şekil 8. 2 çubuk kırık durumu için mtr akım spektrumu
Şekil 12. 1 çubuk kırık durumundaki mtr akım yüzeyi edilemeyeceği anlaşılmıştır. Mtra ait sağlam ve arızalı durum akımlarının güç yğunluk spektrumu hesaplandığında temel rekansın slunda ve sağında genliği kırık çubuk miktarına bağlı harmnikler luşmuştur. Mtr yüksüz çalıştığı için kayma değeri çk küçüktür. Bundan dlayı luşan harmnikler temel rekansın slunda 49 Hz ve sağında 51 Hz larak ldukça yakın yerlerde çıkmıştır. Aynı durum 3 Hz ile sürülen mtr akım spektrumlarında 29,4 Hz ve 3,6 Hz rekanslarında da görülmüştür. Ayrıca verilen yüzeyler incelendiğinde temel rekansın 3. ve 5. harmniklerinde de arıza durumunun etkisi diğer harmniklere göre daha belirgin görülmektedir. Snuç larak sunulan çalışmada mtr yüksüz dahi çalışsa arıza luşması durumunda bunun gözlemlenebildiği görülmüştür. Mtrun nminal yükünde çalıştırılması durumunda nminal kayma değerinde luşan yan bantlar temel rekanstan uzaklaşacak ve çekilen akım genlik değeri artacağından luşan yan bantlar daha belirgin larak görülecektir. Kaynaklar Şekil 13. 2 çubuk kırık durumundaki mtr akım yüzeyi Şekil 14. 2 çubuk arızalı 3 Hz mtr akım yüzeyi Şekil 11-14 arasındaki graiklerde ise mtrun değişik çalışma kşullarında elde edilen verilerle luşturulmuş mtr akımına ait genlik, rekans ve zaman yüzeyleri verilmiştir. 5. Snuçlar [1] P. Vas, Parameter Estimatin, Cnditin Mnitring, and Diagnsis Electrical Machines, Oxrd, U.K.: Clarendn, 1993. [2] S. Nandi, H.A. Tliyat, and X. Li, Cnditin Mnitring and Fault Diagnsis Electrical Machines-A Review, IEEE Transactins n Energy Cnversin, Vl. 2, N. 4, pp. 719-729, December. 25. [3] C. Yeh, A. Sayed-Ahmed, R. Pvinelli, A Recnigurable Mtr r Experimental Emulatin Statr Winding Inter-Turn and Brken Bar Faults in Plyphase Inductin Machines, IEEE Transactins n Energy Cnversin, Vl. 23, N. 4, pp. 15-114, December. 28. [4] J. Milimnared, H. M. Kelk, S. Nandi, A. D. Minassians, and H. A. Tliyat, A nvel apprach r brken-rtr-bar detectin in cage inductin mtrs, IEEE Transactins n Industry Applicatins, Vl. 35, N. 5, pp. 1 16,September/Octber 1999. [5] Cusidó, J.; Rser, J.; Ortega, J.A,; Garcia, A.; Rmeral, L.; Fault Detectin in Inductin Machines Using Pwer Spectral Density in Wavelet Decmpsitins,IEEE Transactins n Industrial Electrnics, Vl: 55 pp: 633-643,February 28. [6] G. B. Kliman, W. J. Premerlani, R. A. Kegl, and D. Heweler, A new apprach t n-line ault detectin in ac mtrs, in Prceedings the IEEE Industry Applicatins Sciety Annual Meeting Cnerence, pp. 687 693, San Dieg, CA, 1996. [7] Çankaya I. ve Vatansever F.,Furier ve Dalgacık Dönüşümünün Karsılaştırılması, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Cilt 6, Sayı 3, Saya 14-24, 22. [8] Arabacı H., Bilgin O., Ceylan M., Ceylan R., Asenkrn Mtrlarda Kırık Rtr Çubuğu Arızalarının Yapay Sinir Ağları ile Teşhisi, ELECO 24 Elektrik Elektrnik Bilgisayar Mühendisliği Sempzyumu, Bursa, 24. Yapılan çalışmada sincap kaesli asenkrn mtrun rtr çubuğu arızası deneysel larak incelenmiştir. Sağlam, 1 ve 2 rtr çubuğu kırık durumlarında mtrun yüksüz çalışmada çektiği akımlar izlenmiştir. Zaman byutunda elde edilen veriler ışığında arızalı durumun ayırt