6ZET ASENKRONMOTORROTORARIZALARININANALiZi

Sayi 34, Haziran 2015

Fen

Bilimleri

Enstitusu

Dergisi Dumlupmar Universitesi

ISSN - 1302 - 3055

ASENKRON MOTOR ROTOR ARIZALARININ ANALiZi

* Abdurrahman UNSAL

^1,

Oktay KARAKA YA

²

'Dumlupmar Oniversitesi, Muhendislik Fakiiltesi, Elektrik-Elektronik Boltnnu, Kutahya, ullsal@dpu_edu.tr

lBalikesir Universitesi, Bigadic Meslek Yuksek Okulu, elektrik ve Enerji Bolumu, Bigadic/Bahkesir, kal'akaya@balikesir.edu.tr

Gelis Tarihi: 13.10.2014 Kabul Tarihi: 02.01.2015

6ZET

Asenkron motorlann rotor cubuklannda meydana gelen anzalann bir son

yillarda

populer bir arastirma konusu haline gelmistir. Rotor anzalan, motorun sebekeden cektigi akim, moment, akr

dagihm,

aki

yogunlugu, gibi parametreler izlenerek tespit edilmeye

cahsihr.

Bu cahsmada, Uy fazh, dort kutuplu, sincap kafesli bir asenkron motorun rotor cubuklannda meydana gelen anzalar

(kink

rotor cubuklan)

AnsoftlMaxwell yazrlmn ile modellenmistir. Modelleme iki ve Uy boyutlu olarak gerceklestirilmistir. iki boyutlu modellemede, stator akmu, elektromanyetik moment ve stator

sargi akisi

sinyalleri hem zaman alamnda hem de frekans alarunda incelenmistir.

iki

^boyutlu modellemede sonlu elemanlar yontemi kullamlarak manyetik aki yogunlugu ve

aki

cizgileri de incelenmistir,

U

y boyutlu modellemede ise saglam ve

anzah (rotorlu) motor sonlu elemanlar yontemi modellenerek manyetik ala yogunlugu incelenmistir. Elde edilen sonuclar AnsoftlMaxwell yazilunmm asenkron motorlann anzalanmn modellenmesinde egitim amach olarak kullanilabilecegini gostermektedir.

Anahtar Kelimeler : Asenkron motor, rotor cubugu artzasi, kink rotor cubuklan, sonlu elemanlar yontemi.

ANALYSIS OF ROTOR FAULTS OF INDUCTIN MOTORS ABSTRACT

The identification of rotor faults and their effects on induction motors have been a popular research area in recent years. The rotor faults are identified by observing the stator current, torque, flux, and flux density of the motor. In this study, the rotor faults (broken rotor bars) are modelled by using AnsoftlMaxwell simulation tool. The modelling was conducted in both two dimension (2D) and three dimension (3D). In 2D modelling, stator current, electromagnetic torque, and winding flux were observed both in time domain and frequency domain by using Finite Element Analysis. In addition, the flux distribution and flux density were also observed. In 3D modelling, a healthy motor is modelled along with a motor with rotor faults to observe magnetic flux density. The results of modelling and simulation show that AnsoftlMaxwell simulation tool can be successfully used for detection of the rotor faults of induction motors for educational purposes.

Keywords: Induction motor, rotor bar fault, broken rotor bars, Finite Element Method.

DPl} Fen Bilimleri Dergisi

SaY1

34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi Abdurrahman DNSAL, Oktay KARAKAYA 1. crats

Asenkron motorlar, diger elektrik makinalan ile

karsilastmldigmda,

basit olmalan, ucuz, dayamkh ve

bakima

az ihtiyac duymalanndan

dolayi

sanayide en yaygm olarak kullarulan elektrik makinalandir. Asenkron motorlar

sargih

rotorlu (veya bilezikIi asenkron motor) ve sineap kafesli (veya kisa devre cubuklu) motor

olmak uzere ikiye aynhrlar. Yaygm olarak kullarulan asenkron motorlar sineap kafesli asenkron motorlardir.

Diger elektrik makinalanyla

karsilastmldigmda

az anza yapmalanna ragmen, sineap kafesli asenkron motorlarda yaygm olarak karsilasilan anza cesitleri (yapilan iki ayn arastirmanm sonuclanna gore) asagida

Cizelge l' de verilmektedir [1].

~.

^izeige

I 1 A se nkr on motor anza annm 1 ag nm.

IEEE-lAS (%) EPRI (%) IEEE-lAS (%) IEEE-lAS (%) EPRl (0/0)

Rulman Anzalan 44 41 Rotor Anzalan 8 9

Sargi Anzalan 26 36 Diger Anzalar 22 ₁₄

Her iki cahsmamn sonuclanna gore asenkron motor anzalannm biiyiik kismim rulman ve sargi anzalan olusturmaktadir (Cizelge I). Asenkron makinalarda meydana gelen yaygm anza tipleri mekanik anzalar, stator anzalan ve rotor anzalan olarak simflandmlabilir. Mekanik anzalar genelde rulmanlarda meydana gelen anza tipleridir. Bu anzalar si.irtiinme, uygun olmayan yaglama, motor-yiik dengesizlikleri, balansh rotor kullarurru gibi nedenlerden

dolayi

ortaya

cikmaktadir. Yapilan

arastrrmalara gore bu anzalar asenkron motorlarda meydana gelen toplam anzalar icin 0/041-44

civanndadir.

Bu anzalar sonueu motorda

asin isinma

ve/veya titresimler meydana gelebilir ve motorun verimi duser, enerji tuketimi artar.

Asenkron motorlann stator anzalan genelde stator sargilannda meydana gelir ve top lam anzalar icindeki oraru

yaklasik

olarak %26-36 civanndadir. Statorda meydana gelen anzalar

sargi

yahnmlannm

bozulmasi, sargilarda

kirlilik (genelde sargi yahnmlanmn azalmasma neden olur), sargi kopuklugu,

kisa

devre (sanmlar arasi ve/veya bobinler arasi), sargi-govde arasi kisa devre, uc faz sargilar arasi empedans dengesizliklerinden olusmaktadir.

Rotor anzalan ise toplam asenkron motor anzalannm %8-9 kadanm teskil etmektedir. Rotorda meydana gelen anzalar rotor cubuklannm catlamasi veya kinlmasi ve rotor kisa devre halkasmm catlamasi veya

kmlmasi

olarak

siralanabilir.

Rotorda meydana gelen anzalar motorun stator akimmda, besleme frekansmm

saginda ve solunda olmak uzere yan bant frekans bilesenleri olarak gozlemlenir, Rotor anzalan sonueu meydana gel en yan bant frekanslan esitlik (l)'deki gibi ifade edilebilir.

f~

=

(1 + ^{2ks)f (1)}

s kaymayi, fkaynak frekansmi, k=1,2,3,4 ... seklinde sabiti ifade etmektedir.

Sincap kafesli asenkron motorlar en yaygm olarak kullamlan motor cesidi olmalanndan ve uzun sure durmadan

cahstmldiklanndan dolayi,

rotorda meydana gelen anzalar motorlann stirdtigu/yah~t1rdl~

proseslerde onemli miktarda mali, zaman ve

^j~kayiplanna

sebep olabilmektedir. Bundan

dolayi

motorlarm

saghklanmn takip edihnesi ve olasi rotor anzalannin onceden tespit edilmesi oldukca onemlidir.

DPU Fen Bilirnleri Dergisi SaYI 34, Haziran2015

Asenkron Motor Rotor

Anzalannm Analizi Abdurrahman

ONSAL, Oktay KARAKAYA Rotor

anzalanm

tespit edilmesi icin

cesitli

metotlar

kullamlmaktadtr.

Son

yillarda

rotor

anzalanni

tespit edilmesi

icin

akademik diizeyde

onemli

calismalar

yapilmaktadtr.

Bir asenkron motorun

sonlu elemanlar

yontemi ile modellenmesi ve gecici durum analizi [2]'de

yapilmistir, Yapilan

calismada, bir asenkron motor, saglam bir rotor ve kink cubuklu bir rotor ile ayn ayn cahstmlarak yol alma momenti, siirekli durum

momenti,

ve yol alma

aknm

yiiksiiz ve tam

yuk incelenmistir.

Rotor

cubuklanndaki kinklar

motorun yol alma akim sinyali ve elektromanyetik moment sinyallerinden tespit edilmeye calisilmisnr. Surucu ile beslenen ve kararh durumda cahsan bir asenkron motorun rotor anzalan, stator akmu

gUv

yogunluk spektrumu (PSD)

yontemi ile

analiz edilerek belirlenmeye cahsilnusn [3]. Motor

yuksuz

ve tam yiik altmda

cahstmlarak

rotor

anzalan

tespit edilmeye

calisrlmistir. Kink

rotor

cubugu anzalannm suuflandmlmasi

Yapay Sinir

Aglan

(YSA) yontemi

ile

[4]'te

yapilnustir. Dalgacik

metodu kullarularak bir asenkron motorun kmk rotor cubugu anzasmm tespit edilmesi ise [5]'te gerceklestirilmistir. Bu cahsmada, stator akimlannm

gecici

durum analizi

sonucu elde

edilen dalga

sekilleri incelenmistir. Inceleme

sonueunda

dalgacik analiz yonteminin kiicuk giiclii

motorlann kink rotor

cubugu

anzalarmm

teshisinde

etkili

olacagmi belirtmistir.

Motor akim imza analizi (MeSA) rotor anzalanmn izlenmesi ve teshis edilmesi icin yaygm olarak kullamlan

yontemlerden bir

tanesidir.

Referans

[6]'da yapilan

cahsmada

rotor

cubugu kinklanmn

motorun

sebekeden cektigi akimm frekansmm sagmda

ve so lunda yan bant olarak

yansidigi gorulmektedir.

Literatiirde

yapilan

diger cahsmalarda, uc fazli sineap kafesli asenkron motorlarm izlenmesi ve anzalann belirlenmesinde motor

akim isaretlerinin kullaruldigi

ve

yazihm

paketleri

yardnm

ile

cesitli

analiz

yontemlerinin

kullaruldigi

goriilmektedir [7

-24].

Bu calismada Ansoft Maxwell yazilum

ile

sincap kafesli bir asenkroo motor 2D ve 3D modellenerek rotor

cubuk

veya

cubuklannda kmklar olusturulmus

ve analizi

yapilnustir. Farkh veriler

ve benzetim

sonuclaruun karsrlastmlmasiyla

rotor

cubugu kink anzasuun

tespiti

icin

2D ve 3D modellerin

egitim amach olarak kullamlabilecegi gosterilmektedir.

2. ASENKRON MORORUN MODELLENMESi

Bu cahsmada,

3-fazh, 4-kutuplu 7,5

kW,

380V, 50 Hz,

Yildiz bagh ve cahsma sicakhgi

75°C

olan

sincap

kafesli

bir

asenkron

motor

Ansoft/Maxwell yazihrm kullamlarak modellenmistir,

U v

fazh sincap kafesli

asenkron motorun statoru ve rotoru

ayn ayn olarak modellendi,

Statorun ve rotorun modellenmesi

sirasryla asagida

verilmektedir. Asenkron motorun statoru stator nuvesi ve stator

sargilanndan olusmaktadu.

Stator

mivesine

ait parametreler

Cizelge

2

'te

verilmektedir. Stator

oyuklan

ve

niivesi

ise

Sekil

1

'de

gorulmektedir.

BsO ~ j4- ~ HsO

~s;... Hsl

Bs2

Hs2

(a) (b)

Sekil I (a) Stator oyuk sekli, (b) 2D stator nuvesi (c) 3D stator niivesi.

(c)

DPU Fen BilirnJeri Dergisi SaYI 34, Haziran2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi Abdurrahrnan DNSAL, Oktay KARAKAYA Stator nuvesinde ferromanyetik malzeme olarak M19 _24G malzemesi kullamlnustir, Bu malzemenin B-H karakteristik egrisi Sekil 2' de gorulmektedir.

4.o0.,---,

1.00 3.00

~

'"

<ii

22.00

~

%~-fE+-O-OO-~---1-.00-ET"+-006---~-1.-60-lE+006 H (A_per_meter)

Sekil 2 Stator niive malzemesi B-H karakteristigi.

Stator

sargilanmn

modellenmesinde tam

kahp

sanm

kullamlnnstu.

Tam

kahp sargi,

sanm bobin

sayisimn

oyuk sayisma

esit

oldugu sargi tipidir.

Kutupta faz basma dusen oyuk sayisi

(2)

S stator oyuk

sayisim,

2P tek kutup sayisim ve m faz sayisuu ifade etmektedir. Kutup basma 4 oyuk dusmektedir,

Bobin

admu esitlik

(3)'teki gibi hesaplanabilir;

(3)

q tam kahp sanmm kisa adimh olmasi icin gerekli olan katsayidir. Bu tasanmda q=5 olarak almnustir, Buna gore Y^x = 7 (1-8) olarak bulunur. Bobin adumrun 7 olmasi A fazma ait bobinin giris ueunun 1. oyukta, ylkI~

ueu ise 8. oyukta olmasi anlamma gelir. Elektrik aci asagidaki gibi bulunur,

360'P

(l=--

X (4)

P cift

kutup

sayisidu.

Buna gore

elektriksel aci

ISo olarak bulunur. Stator bobinlerinin

giris kenan ile cikis kenan arasmda

1800

elektriksel

aci

vardir.

Toplam 48 adet bobin kullanilrmstrr. Her

faza

ait bobin sayisi

16'dlr. Bobinler birbiriyle

paralel baglanarak

bir

faz

sargrsi elde

edilrnistir.

Para lei

kol

sayisi 2

olarak, Iletken kesiti ise

0,679 mm2

olarak ahnnusnr.

Stator

sargilannm dagrhnn Sekil 3

'te

goriilmektedir.

Rotor niivesine ait parametreler Cizelge 3 'te verilmektedir. Rotor nuve malzemesi stator niive malzemesi ile ayrudir. Rotor cubuklannda ve kisa devre halkalannda, iletkenligi 23000000 siemens/in, bagtl gecirgenligi

1.000021 olan aliiminyum kullamlrmsur. Rotor

oyuklan

ile rotor nuvesinin

iki

boyutlu ve ii<;: boyutlu olarak Sekil 4'te gorulmektedir. Rotor cubuklan ve kisa devre halkasi ile motorun 2D ve 3D rnodelleri Sekil 5'te goriilmektedir.

DPU Fen Bilimleri Dergisi SaY134, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi Abdurrahman ONSAL, Oktay KARAKAYA Cizelge 2. Stator niivesi parametreleri.

parametreler.

Cizelge 3 Rotor nuvesine ait

Stator D'~ Cap 210",",

Stator if t;ap 148 III"'

Stator Niive UZllnlugu 250 111m

Paketleme Faktiirii 0,92

Stator Oyuk Say,s, 48

Stator N,ive "falzemesi JIU9 24G

HsO 0,8mm

Hsl 1,05 mill

lIs2 12,9 mm

Stator OYllk Boyutlan

BsO 2,8mm

Bsl 4,9 "''''

Bs2 6,7 mn

Rotor D'I t;ap 147,3 111m

Rotor jf t;ap 48 111m

Rotor Niive Uzullluiu 250111111

Paketleme Faktiiru 0,92

Rotor Oyuk Say,s, 44

Rotor Niive 111alzemesi M1924G

HsO 0,5111111

HsOI

o

^"'111

Hs1 1,2mm

Rotor Oyuk Boyutlart Hs2 12 "'III

BsO 1

III'"

Bs/ 5,2",n,

Bs2 3,5 mill

t;ubllk ve Halka "falumesi Cast aliminum- -75C

Halka Genitlig; 20 III'"

Halka Yiiksekligi 10mm

Sekil 3. Stator sargisi dagilimi.

Modellenen asenkron motorda

kink

rotor cubuk

kmgi anzasi

(sadece bir rotor cubugu kink), Sekil 6'da goriildiigii gibi, kisa devre halkasi ile rotor cubugu arasmda 2,5mm genisliginde arahk birakilarak

olusturulmustur. Anza modelleri aynca

iki kink

cubuk, ii9 kink cubuk icin de ayn ayn tekrarlandi.

DPU Fen Bilimleri Dergisi Sayi 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi Abdurrahman DNSAL, Oktay KARAKAYA

Bs2

Hs2

(a) (b)

(c)

~ekil4 (a) Rotor oyuk sekli, (b) 2D rotor nuvesi (c) 3D rotor niivesi.

(c)

DPl} Fen

Bilimleri

Dergisi SaY1 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi

Abdurrahman ONSAL,

Oktay

KARAKAYA

Sekil

S

(a)

Rotor

cubuklan

ve

kisa

devre

halkasi

(b) 2D motor modeli (c) 3D motor modeli.

sagram rotor ~ubtJgu

'-' __ Kink olujturulmuj rotor -;ubugu

~ekil 6

Rotor

cubugunda olusturulan

kink.

3. SiMfILASYON

Modellenen asenkron motorun stator

sargilanna Uy fazh,

50

Hz

380

V

(rms) gerilimi

uygulanarak simulasyon gerceklestirildi,

Stator

sargilanna uygulanan

iiy

fazh

gerilim

esitlik

(5)-(7)'da.

verilmistir.

V(t)R

=

Vm sin(wt) (5)

v(t)s

=

Vm sin

(wt ⁺ 2;)

⁽⁶⁾

v(t)r = Vm sin

(wt - 2;)

⁽⁷⁾

AnsoflMaxwel-RMxprt paket

programi

ile modellenen motorun stator

sargi direnci

0.669482 n,

enduktansi

da 0.000229044

H

olarak

bulundu,

Rotorun

kisa

devre

halkasi

ve iki

cubuk arasi

direnci 2.1 1561e-006 n,

kisa

devre

halkasi

ve

iki cubuk arasi endiiktans

ise 1.39027e-009

H

olarak bulundu.

Modellenen motorun, yiiksiiz,

nominal

yiiklu

ve

kisa

devre

cahsmasi (surekli

durum)

icin

parametreleri

hesaplanmrstir. Yiiksuz cahsma icin

elde

edilen sonuclar Cizelge

4'te

verilmektedir,

C;.

IzelgeI 4 B

os a ca isma rem mo or

t parame ^{e ert ,}

Stator direnci 0,669482 Q Demir niive kaytplarr 166,379 W

Stator kafak reaktansi IJ,61638 Q GiriS giicii 314,832117

Rotor dlrenci 0,524174 Q Giif faktiirii 0,0704197

Rotor kacak' reaktanst 0,828024 Q Kayma 0,000147859

Stator faz uktm) 5,99437 A Mil B'ZI 1499,78 rpm

I t

tr

1 .

DPU Fen Bilimleri Dergisi Say! 34,

Haziran

2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi

Abdurrahman DNSAL, Oktay

KARAKAYA Tam

yuk

altinda calismada elde edilen sonuclar Cizelge 5'te verilmektedir.

Kilitli

rotor cahsma icin elde

edilen sonuclar

ise

Cizelge

6'da

verilmektedir.

Cizelge 5

Tam

yukte calismada

motor

parametreleri.

Stator direnci 0,669482 J2 Stator fa: akmu 14,2961 A Toplam kawp 888,598 W

Stator direnci (20OC) 0,550703 J2 Demir niive kaytplan (aktm 0,247147 A Giri~ gucu 8,38829 kW

cinsinden)

Stator kacak reaktanst 0,615653 J2 llfanvetik ala", 5,74737 A CIA.?$ 2uCU 7,49969 kW

Rotor direnci 0,524191 J2 Rotor Jat aktmt 12,5637 Mekanik mil 49,3165 N.",

torku

Rotor direnci (20·C) 0,43119 J2 Stator baktr kaYlplan 410,481 'I' ^{Verim (%)} 89,4067

Rotor kacak reaktanst 0,824918 J2 Rotor baktr kaytplar) 248,226 'I' GUf Jaktorii 0,88755

Demir niive kaYlplan 837,037 J2 Slirtlin",. ve ,lizga, 39,508 W Kayma 0,0318752

(direnf cinsinden) kaYlplan

Mallyelik reaktans 35,9941 J2 DiKer kaytplar 37 II' Jlfil hlZJ 1452,19 rpm

<;"

izeigeI 6 Kil'tli¹

-ro

t

or ca

sma a remd . .

mo or

_t parame _tr

e en.

I .

MOlllent 188,688 N.", Stator direnci 0,669482 J2

Faz Akimt 137,4.12 A Stator kafak reaktanst 0,505577 J2

Moment orant Oral" 3,82606 Rotor direnci 0,54.105 J2

Ala", Oram 9,61185 Rotor kafak reaktanst 0,55562 J2

Simiilasyon sonucu elde edilen

kayak

reaktans,

ala

yogunlugu, halka

direnci ve halka

endiiktansi

ve

diger

veriler

Cizelge

7'de

verilmektedir.

Cizelge 7 Diger veriler

Stator oyuk kacak reaktans 0,35277 J2 Stator di§ ala yog111'lugll 1,16253 Tesla Stator akim )'ogunlllgu 5,26139

A/m",' Stator sarg: halkus' ku,ak

0,0719563 a ROIO' IliSak» yogUl'/ligu 1,24454 Tesla Rotor fuhugll aktm 2,57217

reaktans YOKuniuKu AI",,,,2

Rotor oyuk kafak reaktans 0,376508 ^Q Stator boyunduruk ok'

1,59471 Tesla Rotor halkas, ala", yOglllllllgll 2,74389

yogullluju AI",tl,2

Rotor halk» kacak reaktans O,0244437!l Rotor hQyulldurllk akt

0,642621 Tes/a Rotor iki cubuk arast halka 2,11561xl{f'

vollln/uiu direnci J2

Stator sargt Joklorii 0,759765 J2 Hava arnl'Kt ak: yotunlugu 0,549397 Tesla Rotor iki fubuk arast halka 1,39027xl{f'

endiiktansl J2

(a) (b)

Sekll 7

(a) Motorun

iki

boyutlu modeli

(a)

iki boyutlu

ag orimtiisu

(mesh).

DPU Fen Bilimleri Dergisi SaYI 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi Abdurrahrnan ONSAL, Oktay KARAKAYA 3.1.

iki

Boyutlu (2D) Simulasyon

2D modiilii ile gecici durum analizi, magnetostatik, eddy akimlan, elektrostatik, AC ve analizleri yapilmaktadir. Bu calismada gecici durum analizi kullamlnusnr. Gecici durum analizinde; akim, gerilim, aki, moment, mive kayiplan gibi parametrelerinin hem zaman domeninde hem de frekans domeninde analizi yapilabilmektedir. Bu cahsmada akim, aki ve moment verileri incelenmistir,

iki

boyutlu analiz icin modellenen motorun ~ kesiti Sekil 7'de gorulmektedir.

iki

boyutLu analizde rotor cubugu anzalanmn etkileri, bir kink cubuk, iki kink cubuk,

u<;

kink cubuk, ve bir cubugun rotor niivesinden tamamen yok olmasi durumlan incelenmistir. Motor tam yiik altmda calistmlarak stator faz akrmlan, aki ve moment verileri analiz edilmistir.

3.2 (J~Boyutlu (3D) SimiiIasyon

-Oyboyutlu analiz ile manyetik alan siddeti, aki yogunlugu ve akim yogunlugu verileri, saglam ve kink rotor icin incelenmistir. -Oyboyutlu analiz icin modellenen motorun ~ kesiti modeli Sekil S'de goriilmektedir.

Rotor mili

Rotor nOvesi

Stator nuvesi

Rotor

lubugu

SUItor faz

s.ar~la(l

(a) (b)

Sekil 8 (a) Modellenen motorun iiy boyutlu modeli (a) -Oyboyutlu ag oruntusu (mesh).

4. ANALiZ SONU<;LARI

Asenkron motor iki boyutlu ve tic boyutlu modellenerek (anzah rotor veya rotor kmklanyla birlikte) akim, moment, ve aki degerleri incelenmistir.

iki

boyutlu cahsmada simulasyon sonuclan; saglam rotor, bir cubugu kink rotor (6. cubuk), iki cubugu

kmk

rotor (5. ve 6. cubuklar), ve

u

y cubugu

kmk

rotor (5., 6. ve 7.

cubuklar) olmak iizere dort farkh durum icin elde edildi. Rotor cubuk numaralan Sekil 7'de verilmektedir, 4.1 Stator Aknnlari

Bir faz stator akuni (saglam rotor, tam

yuk

altinda cahsma icin) Sekil 9 (a)'da goriilmektedir. Motorun ilk kalkinma aknm ve normal cahsma akimi rahatlikla gorulmektedir.

DPU Fen Bilimleri Dergisi SaY134, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor

Anzalanmn Analizi

Abdurrahrnan ONSAL, Oktay KARAKAYA

250.00-.---,

·SatbmM_

200.00

"""'=

^19.JaSIA

-.cI^{50.00 .... =117.19S9A}

~

~IOO.OO 50.00

0.00

·50.00:t---¥----=:"---:-:=:---=,,,----=!

0.00 50.00 Z,::;or...l 150.00 200.00

250.OO..,---"""'('"'a',-,

-.SaJI-~ ^'I

200.00 _Anzala MOl ...

<lSO.OO Trms ~ 1.9,3381A

,§ioo.oo Imax ~ 232,997A

<

^SO.oo

0.00

-SO.oo_0.00

:'l:::---"="=--..."=,...---...,..,,,,=---:::::!

_{SO.OO 100.00 lSO.oo 200.00}

lam_tlllS1

w ~)

Sekil 9 (a) Saglam rotorlu motorun stator faz akimi, (b) Saglam motor ile bir rotor cubugu olmayan motor

aknnlan.

Sekil 9 (b)' de saglam rotorlu motor ile bir rotor cubugu

kink

motomn stator akimlan zaman domeninde gorulmektedir. Bir rotor cubugunun kink olmasi durumunda, normal (rms) stator aklm119,3381 A, maksimum stator

akmu

da 232,997 A olarak elde

edildi. Anzah

rotordan dolayi motor

akmum (saglam

rotorlu motora gore), etkin degerinde %2,75 azalma, maksimum degerinde de %2,19 artis meydana gelmistir.

Anzah rotor etkilerinin stator akimdaki etkilerinin zaman domeninde izlenmesi oldukca zordur. Bunda dolayi stator

akimlan

frekans domeninde incelendi. Frekans domeni analizi

icin

Ansoft Paket progranunm hazir modulleri kullaruldi. Saglam motor ile bir, iki, ve

uy

cubugu

kink

rotorlu motorun stator faz akimlan Sekil

l

O'da

gorulmektedir.

Rotor

cubuklanndaki

kink

sayisi artikca akimdaki

bozulma daha belirgin hale gelmektedir.

..Slgt.m Mot(lf .. Am.11 Motor

(a)

O.OOT""T---~---:::1

• sattarnMolot"

• Au~l. Motor

-~a"'m MotOr (c)

-Al'lz;'!! MotOf

$ekillO

(a) Saglam motor ile bir rotor

cubugu kink

motor, (b) Saglam motor ile iki rotor

cubugu kink

motor, (c) Saglam motor ile uc rotor cubugu kmk motor.

0.00

-r---.,.---, j; _...

^+2s _(al

-

¹⁺²⁰⁵

-40.00

.., ...

-90.00

-126.oo0c'!.00:;;---;;;20"'.00."---:;4G"".",00,---;;60"'".00=---:;80"'."'00.---;1,,d00.00 FrebDs 1Hz)

DPU Fen Bilimleri Dergisi Sayt 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor

Anzalanmn Analizi

Abdurrahrnan ONSAL, Oktay KARAKAYA

=

...

^-«).00

Sekil Ll (a) Saglam motor, (b) Saglam motor ile bir cubugu

lank

rotorlu motor, (c) Saglam motor ile iki cubugu

lank

rotorlu motor, (d) Saglam motor ile

iicy

cubugu

kink

rotorlu, (e) Saglam motor ile bir rotor

cubugu olmayan motor.

Sekil 11 (a)'da gorulen saglam motora ait stator akum gorulmektedir. Yan bant

frekanslan

ana frekansm (50 Hz) sagmda ve solunda esitlik (l)'e gore olusmustur. Sekil 11 (b), (c) ve (d)'de rotor cubugunun veya cubuklannm kmlmalan durumunda yan bant frekanslannin genliginde cok az arns gostermistir. Ancak Sekil

il.(e) yan bant frekansuun genligindeki artis net olarak gorulmektedir.

la)

Trms =tiO,732O

Trms =6O^t6040

';:'.!!., 200.00 (b)

::Ec

!lOO.00

i

~

~

-a6.00

';:'.!!^~200.00 (e)

- ., ^..

c ~.oo

i ¹

⁰

~lOO.00 2SIo.00

~

~ (e)

-SaAlamMotor • Anzall Motor

~eki112 (a) Saglam motor ile bir cubugu

kink

rotorlu motor, (b) Saglam motor ile

iki

cubugu kink rotorlu motor, (c) Saglam motor ile

iiy

cubugu

kink

rotorlu motor.

DPU Fen Bilimleri Dergisi Say! 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi Abdurrahman ONSAL, Oktay KARAKAYA

4.2 Moment

Asenkron motorlarda rotor anzalanmn tespitinde kullamlan yontemlerden biri de elektromanyetik moment sinyallerinin izlenmesidir. Saglam motora ve kmk cubuklu rotorlu motora ait tam yiik elektromanyetik moment sinyalleri karsilastirmah olarak Sekil 12'de verilmistir, Sekil 12'te saglam bir motorun moment sinyali ile rotor cubuklan tamamen kink bir motorun moment sinyalleri karsilasnrmah gorulmektedir. Bir rotor cubugu kmk motorun elektromanyetik momentinin etkin degeri saglam motorun momentine gore gore

%4,73 dusmusttir.

i.k.i

rotor cubugu kink motorun elektromanyetik momentinin etkin degerinde de saglam motorun momentine gore %9,62 du~u~ meydana gelmistir. Moment sinyallerinin zaman domeninde izlenmesi ile rotor

anzalannm

tespit

edilmesi oldukca

zordur.

Saglam

motor ile

anzah

motor moment sinyalleri arasmdaki fark frekans domeninde daha belirgin olarak gorulmektedir (Sekil l

J).

-20.00 • Soajlam Motor

• Atuah Motor

-20.00 -45.00

• SI!tlm Motor - Anzat, Motor

(b)

II>

-e -70.00

-20.00 - sajlem Motor

• Amah Motor

(e,

$ekil13 (a) Saglam motor ile bir rotor cubugu

kink

motor, (b) Saglam motor ile

iki

rotor cubugu

kink

motor, (c) Saglam motor ile Uy rotor cubugu kink motor.

Sekil

13'te

saglam

motor ile rotor

cubuklan

kink motorun moment sinyalleri

karsilastmnah

olarak gorulmektedir. Rotordaki

kink

sayisi arttikca moment sinyalindeki bozulmamn artngi gorulmektedir. Frekans domeninde elde edilen moment sinyalleri motorun rotor anzalanru tespit etmekte etkili bir yontem olarak kullarulabilir.

4.3 AkJ SinyaUeri

Asenkron motorlarda rotor cubugu veya

cubuklan

anzalannm tespitinde kullarulan yontemlerden biri de sargi aki degisimin izlenmesidir, Saglam motor ile rotor cubuklan

kink

motorun aki sinyallerin arasindaki fark (zaman domeninde tespit edilememistir (Sekil l c).

DPU Fen Bilimleri Dergisi

SaY1 34, Haziran

2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanrun Analizi

Abdurrahman UNSAL, Oktay KARAKA YA

1.50 .,---,

-StilamMotor -Anzsh Motor

~O_5O

-

~.5O

- 0,67Wb -0,6742Wb

-1.500·"l:.OO-::----=20"'.OO::=--"""'40=='·O::::~,....-""-r"""'~""·"'OO,---8==O""'.OO::---,I:=lOO.OO

~ekil14 Saglam motor ile iki rotor cubugu kink motorun akilan.

Saglam motor iJe anzah motor arasmdaki farki aki sinyalinden daha belirgin olarak gorebilmek icin aki sinyalleri frekans domeninde, karsrlastirmah olarak, gosterilmistir (Sekil 15). Sinyaldeki bozulmalann rotor kink sayisi artnkca arttigi gorulmektedir (Sekil 15). Frekans domeninde elde edilen sonuclar, zaman dome ninde elde edilen sonuclara gore motorun anza durumu tespitinde daha etkili bir yontem oldugu kullamlabilir. Rotor cubuklannin olmamasi durumundaki fark daha belirgindir.

0.00 -r-r---.,

- SaAJam Motor - Anzsh Motor -50.00

- sail_ Motor - Anzah Motor

(bl -50.00

- sallam ^Motor

- Anzal, Motor

(cl -50.00

~ekil15 Sargi akisi - (a) Saglam motor ile bir rotor cubugu

kink

motor, (b) Saglam motor ile iki rotor cubugu

kink

motor, (c) Saglam motor ile uc rotor cubugu

kink

motor.

4.4 AkI Yogunlugu

Ue;;

fazli sincap kafesli asenkron motorun rotorunda meydana gelen anzalann tespit edilmesinde kullarulan yontemlerden biri de Sonlu Elemanlar Yontemi (SEY)'dir. SEY yonteminde elde akr yogunlugunun izlenmesi rotor anza tespitinde kullarulmaktadir, Saglam motor ile rotor cubuklan

kink

motorun ala yogunlugu Sekil Iti'da gosterilmistir.

DPU Fen Bilimleri Dergisi Say! 34, Haziran2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi Abdurrahman DNSAL, Oktay KARAKAYA

t.9$$Se-<oOO3 1. 8iS'>e',!O!

I &7ti2'e.ro&

I ,)e.$,.eo~

1,S~",~2(la 1,,2S71~.OO3"

I Il7S<t-O ta&

9.71?7",-fOl O,~&I)')¢-OOl

&,~1$'"!101 S,~$7je-tat I.I,J·~$-KlI

2,1~~-OOl I. S*1I'-lJCI 2.1\t91:1$_1n1

t.esss..-eoe

I. 'UI~«te t.lI'U::J!:~£:I

I.S~~'l:·-oo~

1.!IO(O(.o(lOO:- 1. 2i~1.:<ooa

1. :'1 ,';t..((l3 S.:',r «It 1'1. " ... ' __ 11

G. (J)''l(-0O1

~.S!l~e.:·OOJ

... :... .,._ •.1 2.r-'·JE"<.001

t.lI~lI€c-00'

1.~~~C(~11

",'6111"1

Tnti'" .cr.(21~

~t!I .1"52.1S(~1)(n Po5tJoo .\02..97

-nIN ~021'

Sf'1jlOc1:1.~2 .11l0000f,ilm

Po"~"':'1*2 91fii6Qc1 1- 'l'oivlllu"llJ QJalmiil

1. Yol!unlukb. ..tl, '1.Y(jUlIIl:lli iIIlit.'tl$

;Z.yttl.'nI'*la a!1t;-

(a) (b)

1·Y~~'uidll eUlltm

;:-YogunlvlUa GtU;

(c)

~ekil16 (a) Saglam motor ile bir rotor cubugu lank motorun ala yogunlugu, (b) Saglam motor ile

iki

rotor cubugu kink motorun ala yogunlugu, (c) Saglam motor ile bir rotor cubugu lank motorun ala yogunlugu.

Sekil 16

(a)

incelendiginde 1

ile

numaralandmlmis kisunlarda

ala

yogunlugunda azalma, 2

ile numaralandmlmis kisimlarda ala yogunlugunda artis gorulmektedir, Statorda genelinde ala yogunlugunda azalma soz konusundur. Rotorda ise

ala

yogunlugu cubuklar etrafmda ve motor milinin etrafmda artmis, rotorun genelinde azalma gostermistir. Azalma

iki

ve Uy rotor cubugu

lank

motorda daha cok meydana geldigi Sekil Ie (a) ve Sekil le (b)'de goriilmektedir.

Saglam motor ile bir ve

iki

rotor cubugu olmayan motorun

ala

yogunluklar karsilastirmah olarak Sekil l Z'de goriilmektedir, Motorun rotor cubuk olmayan kisimlarda aki yogunlugunun arttigr diger kisimlarda azaldigi gorulmektedir, Genel itibariyle ala yogunlugu azalrmstir.

DPU Fen Bilimleri Dergisi

Sayi 34, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor

Anzalaruun

Analizi

Abdurrahman UNSAL,

Oktay

KARAKAYA

If'tlll'"

, ""f'''l

..

^,

...

^,

(a) (b)

Sekil I?

(a)

Saglam

motor

ile

bir rotor

cubugu

olmayan motorun

aki yogunlugu, (b) Saglam motor

ile iki rotor

cubugu

olmayan motorun

aki yogunlugu.

Sekil Ifi Saglam

motor

ile

bir rotor

cubugu kink

motorun

akr cizgileri, 4.5 Ala Cizgtleri

U

y fazh

sineap kafesli asenkron motorun

SEY yonetimiyle yapilan

analizinden elde edilen

aki cizgilerinin dagihnu

rotor

anzasi

tespitinde fayda

saglayacagi dustinulerek Sekil

18'de,

saglam

motor ile bir rotor

cubugu

kink motora ait

aki cizgilerinin dagilnnlan

verilmektedir.

Sekilde saglam

motor

ile anzah

rotoriu motorun

aki dagihmi arasmda

belirgin bir

fark

tespit

edilememistir, AkI cizgilerinin dagihrmmn

rotor

kink anzasinm

tespitinde

iyi

bir

yontem olmadrgi goriilmektedir. Anzah

rotorlu motorun

akr cizgilerinin yogunlugu saglam

motorun

aki cizgilerinin yogunluguna

gore

azalnustir.

Bunun sebebi

cizgilerin azaldigi noktalarda

manyetik direncin

(reluktansm) artrms olmasidir.

4.6

U~

Boyutlu (3B) Simiilasyon

SEY yontemi

ile asenkron motor 3B

olarak da modellenmistir.

3B anaIizde,

saglam

motor

ile anzah

motorun aki yogunluklan karsilastirmah olarak verilmistir. Saglam motor, bir rotor cubugu kink motor,

iki

rotor

cubugu

kink motora ait

aki yogunluklan

(stator ve rotor

uzerindeki) karsilasnrmah

olarak

Sekil

18'de verilmistir, Rotor eubuklanrun

kmlmasi

sonueu manyetik aki degisimi stator ve rotor niivelerinin her yerinde

gozle goriilebilir

niteliktedir.

Ozellikle

kink

cubuk etrafinda

manyetik

akr yogunlugunun arttigi,

stator ve rotor

nuvelerinin diger bolgelerde ise

dii~tiigu

goriilmiistur.

Kink rotor

cubugunun

direnei

artarken kisa

devre

halkasi ile

rotor

cubugu arasindaki

hava

araliginda direncte artis soz

konusudur. Kink rotor

cubugunun

direncindeki

artis nedeniyle uzerinden gecen

ala

azalmis

ve

kendisine

en

yakin cubuklardaki

alanln

artngi goriilmiistirr. Cubuklardaki

ala

artisr

kink

cubuktan uzaklastikca azalmisnr.

Rotor

cubugunu

tamamen kink

DPU Fen Bilimleri Dergisi

SaY134, Haziran

2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi Abdurrahrnan DNSAL, Okray KARAKAYA olmasi durumunda, bos oyuga en cubukta ala artist meydana gelmis, bos oyuktan uzaklastikca akr artisuun azaldigi gozlemlenmistir, Bu nedenle kmk cubugu veya cubuklanmn bitisigindeki cubuklar cevresinde ala yogunlugunda artis meydana gelmistir.

(a) (b)

~ekil19 (a) Saglam motor ile bir rotor cubugu

kink

motorun aki yogunlugu (3D), (b) Saglam motor ile

iki

rotor cubugu kink motorun ala yogunlugu.

s. SONU<;LAR

Bu

cahsmada

Uy

fazh, 4 kutuplu, 7,5

kW

bir

asenkron motorun rotor

anzalan (kink

rotor

cubuklan)

Ansoft/Maxwell paket yazilim programi ile iki boyutlu ve Uy boyutlu olarak modellendi.

iki

boyutlu

modellemede,

motorun rotor

cubuklannda kinklar olusturuldu.

Rotor

kmklannm

tespit edilmesi

icin,

motor stator akinu, elektromanyetik momenti, ve aki degisimleri, ve manyetik

aki

cizgilerinin dagilimlan incelendi, Bu parametreler, aym ozellikte saglam bir motorun parametreleriyle karsilasnnldi. Uy boyutlu modellemede de elektromanyetik akr yogunlugunun stator ve rotor nuvesine dagilmn (aym ozellikte saglam bir motorun ala yogunlugu dagilmu ile karsilastirmah olarak) incelendi. Rotor cubugu/cubuklan

kink

motorun akim, elektromanyetik moment ve sargi akismdaki degisim miktan, saglarn motora gore cok azdir. Sinyallerin zaman domeninde izlenmesi ile rotor anzalanmn tespit edilmesi oldukca zordur. incelenen sinyallerde motor stator akimmm rotor anzalanrun tespit edilmesinde en iyi sonucu verdigi gorulmektedir.

SEY yontemi ile yapilan modellemede saglam motor ile anzah motorun manyetik akr yogunlugu

ve

aki

cizgilerinin birbirinden oldukca farkh oldugu

tespit

edilmistir.

Ancak akidaki dagihm ve aki cizgilerinde gozlemlenen degisim sadece rotorda, genel olarak, anza oldugunu gostermektedir, Bu metotta anzarun durumu hakktnda daha fazla bilgi elde edilememektedir. Uy boyutlu yapilan analizde manyetik aki yogunlugu saglam motora gore kink cubuk etrafinda yogunlasngi gozlemlenmistir. Elde edilen sonuclar, Ansoft/Maxwell yazihnu ile yapilan iki boyutlu ve Uy boyutlu modelleme ile rotor anzalannin rahathk modellenerek egitim amacli kullanilabilecegini gostermektedir, Bu yazilun paketi ile stator anzalan da modellenerek egitim amacli olarak incelenebilir.

DPU Fen Bilimleri Dergisi SaY134, Haziran 2015

Asenkron Motor Rotor Anzalannm Analizi

Abdurrahman DNSAL, Oktay KARAKAYA

6.

KAYNAKLAR

[1] Yeh, C., Sayed-Ahmet, A.and Povinelli, R., 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, 1005-1014

P

(2008).

[2] Akar, M., Fenercioglu, A. ve Soyaslan, M., Asenkron motorlarda rotor cubugu kirk anzasmm elektromanyetik tork ile tespiti, 6. Uluslararasi lleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS'II), Elazig, Turkiye (2011).

[3] Akar, M. ve Cankaya,

t.,

Evirici ile siiriilen asenkron motorlarda rotor cubugu

kink

anzasmm tespiti, 5.

Uluslararasi

Ileri

Teknolojiler Sempozyumu (IATS'09), Karabiik, Turkiye (2009).

[4] Arabaci, H., Bilgin, 0., Ceylan, M. ve Ceylan, R., Aseokron motorlarda

kink

rotor cubugu anzalannin yapay sinir aglan ile teshisi, ELECO'2004 Elektrik Elektronik Bilgisayar Muhendisligi Sempozyumu, Bursa (2004).

[5] Douglas, R., Pillay, P ve Ziarani, A. K., Broken rotor bar detection in induction machines with transient operating speeds, IEEE Transactions on Energy Conversion,20, 135-]41 p (2005).

[6] Szabo, L., Dobai, J. B. and Biro, K. A., 2004, Rotor detection in squirrel-cage induction motors by current signature analysis, IEEE-TTTC-International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics, Cluj-Napoca, Romania.

[7] Ayaz, E., 2002, Asenkron motorlarda dalgacik analizi yaklasnm ile rulman anza tamsi ve yapay zeka tabanli bir durum izleme sistemi, Doktora tezi, istanbul Teknik Universitesi, istanbul.

[8] Sutherland, P .E. ve Salon, S.J., 2002, Analysis of rotor faults in three phase induction machines, Industry Applications Conference.

[9] Nandi, S., Toliyat, H.A. and Li, X., 2005, Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors, IEEE Transaction on Energy Conversion, 20, 719-729 p.

[10] Erbay, S., 1999, Multi-sensor Fusion for Induction motor aging analysis and fault diagnosis., PhD Thesis, The University of Tennessee, Knoxville.

[11] Gojko, M.J. and Penman,

J.,

2000,. The detection of inter-turn short circuits

in

stator windings of operating motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 147, 1078-1084 p.

[12] Seker S., Ayaz E., Upadhyaya, B. R. and Erbay, A.S.,. 2000, Analysis of motor current and vibration signals for detecting bearing damage in electric motors, MARCON 2000 Maintenance and Reliability Conference, Knoxville.

[13]

Tandon,

N., Yadava, G.S., Ramakrishna,

K.M.,

2007, A comparison of some condition monitoring techniques for the detection of defect in induction motor ball bearings, Mechanical Systems and Signal Processing, 21, 244-256 p.

DPl} Fen Bilimleri Dergisi

Sayt

34,

Haziran

2015

Asenkron Motor Rotor Anzalanmn Analizi Abdurrahman ONSAL, Oktay KARAKAYA [14] Schoen, R.R., Habetler, T.G., Kamran, F. and Bartheld R.G., 1995, Motor bearing damage detection using stator current monitoring, IEEE Trans. on Ind. Application, 31,1274-1279 p.

[15] Filippetti, F., Franceschini, G., Tassoni, C. and Vas P., 1996, AI techniques in induction machines diagnosis including the speed ripple effect, Conf. Rec. IEEE-lAS Annu. Meeting, San Diego, California,

655-662 p.

[16] Thomson" W.T. and Stewart" LD., 1998, On-line current monitoring for fault diagnosis in inverter fed induction motors", Proc. lEE Third Int. Conf. Power Electronics and Variable-Speed Drives, London, UK,432-435 p.

[17] Thomson, W.T. and Fenger, M., 2001, Current signature analysis to detect induction motor faults, IEEE Ind. Applicat. Mag., vol. 7, 26-34 p.

[18] Thomas, V. V., 2002, Non-invasive techniques for rotor fault detection of three phase squirrel cage induction motors, Doctor of Philosophy thesis, India,

[19] Voltanen,

M.,

2007, Performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-cage induction motor, Doctor of science thesis, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finland.

[20] Liang, B., Payne, B. S., Ball, A. D. and Iwnicki, S. D., 2002, Simulation and fault detection of three- phase induction motors, Mathematics and Computers in Simulation 61, 1-15 p.

[21] Aroui, T., Koubaa, Y. and Toumi, 2007, A. Modeling and diagnostics of inductions machines under rotor failures, ICGST -ACSE Journal, Volume 7, Issue 2, November 2007.

[22] Yang, Z., Merrild, U. C., Runge, M. T., Pedersen, G., Borsting, H., 2009, A study of rolling-element bearing fault diagnosis using motor'S vibration and current signatures, Preprints of the 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, 356 p.

[23] Thorsen, O. V., Dolva, M., 1995, A survey of faults on induction motors in offshore oil industry, petrochemical industry, gas terminals and oil refineries, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.

31, No.5, 1186-1187 p.

[24] Rahimi, S., 2006, Modeling of rotor bars in induction motors with sepecial focus on starting performance, Master of science thesis, Royal Institute of Technology, Stockolm.