تشخیص خطای حلقه به حلقه سیم پیچی استاتور موتورهای القایی سه فاز قفس سنجابی با در نظر گرفتن اثر اشباع مغناطیسی

موتورهای القایی به دلیل سادگی و استحکام ساختمان، ارزانی، محدوده وسیع سرعت و پاره‌ای مزایای دیگر  کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. به همین دلیل پایش وضعیت این نوع موتورها جهت شناسایی خطاها در مراحل اولیه پیدایش آن‌ها، به ویژه در توان‌های زیاد، اهمیت زیادی دارد. بنابراین تشخیص خطای اتصال حلقه در زمان‌های اولیه وقوع آن می‌تواند مزیت‌های زیر را در بر داشته باشد‌:جلوگیری از آسیب عمده به موتور و تعمیرات زمان‌بر و پر هزینه آن.جلوگیری از توقف غیر منتظره خط تولید.کاهش تلفات.حصول مزیت‌های فوق مستلزم اطلاع به هنگام از شدت و موقعیت (فاز) خطای اتصال حلقه موتور است. این امر معمولا از طریق آشکارسازی بعضی آثار مترتب بر رفتار موتور در اثر بروز خطا میسر است. معایب موتورهای القایی را می‌توان به سه گروه اصلی‌: مکانیکی، روتور و استاتور تقسیم کرد. هر کدام از  این خطاها ریشه در عوامل متفاوتی دارند و آثار مختلفی بر عملکرد موتور می‌گذارند. حتی بعضی از خطاها ممکن است خود منشا بروز خطاهای دیگر شوند.خطاهای مکانیکی عمدتاٌ از خطای یاتاقان‌ها (بلبرینگ‌ها) ناشی می‌شوند . بعضی عوامل ایجاد خطای یاتاقان عبارتند از : روغن کاری نامناسب یا ناکافی، تنش‌های شعاعی و محوری سنگین بدلیل انحراف محور ومونتاژ، تنظیم یا فونداسیون ضعیف. این عوامل سبب تسریع در سایش و فرسایش یاتاقان ها می‌شوند. معمولا خطای یاتاقان‌ها بروز خطای نا هم‌محوری روتور و استاتور را نیز در پی دارند. تشدید خطای اخیر می‌تواند منجر به تماس سطوح روتور و استاتور شده و معایب روتور و استاتور را پدید آورد.شکستن میله‌های روتور، شکستن حلقه انتهایی روتور و انواع نا هم‌محوری (استاتیکی، دینامیکی و مرکب) از جمله خطاهای روتور هستند . دلایل اصلی بروز این خطاها به شرح زیرند :اضافه بار حرارتی که می‌تواند حین شتابگیری، کارکرد دایم و یا توقف روتور حاصل شود.عدم تعادل حرارتی یا اختلاف دما در میله‌های روتور که از راه اندازی‌های مکرر، پدیده پوستی، انتقال حرارت غیر یکنواخت هسته و میله‌های روتور و بعضی عوامل دیگر ناشی می‌شود.اثرات مغناطیسی که منجر به وارد شدن نیروهای الکترودینامیکی شعاعی بر میله‌ها می‌شوند. این نیروها که از تاثیر متقابل شار مغناطیسی و جریان میله‌ها حاصل می‌شوند، با مربع جریان میله‌ها متناسب بوده و سبب لرزش و خمش میله‌ها در امتداد شعاعی شده و سرانجام ممکن است منجر به شکستن میله‌های روتور شوند.غیر یکنواختی ذاتی در امتداد طولی فاصله هوایی (نا هم‌محوری ذاتی) که از ایده‌آل نبودن فناوری ساخت و مونتاژ موتور ناشی می‌شود، باعث کشش مغناطیسی نامتقارن در سطوح مجاور روتور و استاتور می‌شود. زیرا روتور در سمتی که فاصله هوایی کوچکتر است تحت نیروهای کششی بزرگتری قرار می‌گیرد. این امر سبب خم شدن روتور، تشدید خطای نا هم‌محوری و در نهایت منجر به برخورد روتور با استاتور می‌شود. در نتیجه ممکن است به ساختار روتور و استاتور آسیب جدی وارد شود.افزایش تنش‌های وارد بر میله‌های روتور در اثر اضافه بار دایم یا نوسانی در طول زمان می‌تواند منجر به شکستن میله‌های روتور شود.افزایش نیروهای گریز از مرکز در اثر افزایش سرعت موتور به بیش از سرعت اسمی می‌تواند منجر به بروز تنش‌هایی در حلقه‌های انتهایی و شکستن اتصال بین میله‌های روتور و حلقه‌های انتهایی گردد.استاتور موتورهای القایی نیز همانند بلبرینگ‌ها و روتور می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی دچار خطا شود]۳[ . پنج نوع خطا برای سیم پیچ‌های استاتور گزارش شده‌اند که همه آنها ریشه در  خرابی  عایق سیم‌پیچ‌ها  دارند  این خطاها عبارتند از خطای حلقه به حلقه در یک کلاف که در آن دو نقطه از یک یا چند حلقه از یک کلاف به همدیگر اتصال پیدا می‌کنند (خطای اتصال حلقه).خطای کلاف به کلاف در یک فاز که در آن یک نقطه از یک کلاف به یک نقطه از کلاف دیگر سیم‌پیچی همان فاز اتصال پیدا می‌کند.خطای فاز به فاز که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز دیگر اتصال پیدا می‌کند.خطای مدار باز که در آن به دلیل قطع شدگی سیم، یک فاز یا بخشی از یک فاز مدار باز می‌شود.خطای کلاف به زمین که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به زمین (بدنه) اتصال پیدا می‌کند.شکل۱-۱- انواع خطاها در سیم پیچ استاتورشکل (۱-۱) انواع خطای سیم‌پیچ استاتور را نشان داده است. یک موتور معیوب ممکن است دارای ترکیبی از خطاهای سه گانه فوق باشد. به عنوان مثال، در یک موتور ممکن است محور موتور خمیدگی پیدا کند و این امر سبب ایجاد لرزش و آسیب در بلبرینگ‌ها شده، منجر به تماس روتور با استاتور ‌شود. با ادامه کارکرد موتور در این وضعیت گرمای بیش از حد تولید شده ممکن است میله‌های آلومینیمی روتور ذوب شوند. پخش شدن آلومینیم مذاب روی سیم‌پیچ استاتور خطای سیم‌پیچ را به دنبال می‌آورد.حدود ۷۵ درصد  از کل خرابی‌های موتورهای القایی قفس سنجابی مربوط به خطاهای استاتور و یاتاقان است خرابی بلبرینگ‌ها (خطاهای مکانیکی) ۴۰ تا ۵۰ درصد، خرابی عایق استاتور (خطای استاتور) ۳۰ تا ۴۰ درصد و خرابی قفسه روتور (خطای روتور) ۵ تا ۱۰ درصد گزارش شده است ]۶[. اگر از پیشرفت خرابی های حلقه به حلقه جلوگیری نشود، موارد مذکور منجر به خطا فاز به زمین یا فاز به فاز می‌گردد، که البته خطا فاز به زمین محتمل‌تر است. نتایج مطالعات جامع‌تر که بر پایه یک روش آماری و برای موتورهایی با قدرت‌ها و سرعت‌های مختلف صورت گرفته نیز موید درصد‌های فوق الذکر است ]۲و۷و۸[. بنابراین خطاهای سیم‌پیچ استاتور درصد قابل توجهی از کل معایب موتور القایی را به خود اختصاص می‌دهد. لذا این پایان‌نامه بر روی خطای سیم‌پیچ استاتور تمرکز دارد.انواع خطای سیم‌پیچ استاتور معمولا با اتصال کوتاه چند حلقه مجاور سیم‌پیچ فاز (خطای اتصال حلقه) شروع می‌شود. به این ترتیب که جریان گردشی در حلقه‌های اتصال کوتاه موجب تولید گرما و افزایش دما در ناحیه معیوب سیم‌پیچ شده و با تخریب بیشتر عایق در آن محل، منجر به خطاهای شدیدتر یعنی خطای کلاف به کلاف، خطای فاز به فاز و یا خطای فاز به زمین می‌گردد. . اگرچه اطلاعات تجربی از فاصله زمانی بین وقوع خطای اتصال حلقه تا شکست عایقی و تشدید کامل خطا وجود ندارد، ولی قدر مسلم آنست که این فرایند آنی و لحظه‌ای نیست و سرعت آن به شدت خطا، یعنی تعداد حلقه‌های اتصال کوتاه شده، وابسته است.برای آشکارسازی خطای اتصال حلقه تاکنون شاخص‌های متعددی معرفی شده و روش‌های مختلفی هم برای اندازه گیری آن‌ها و نتیجه‌گیری در خصوص وقوع خطا ارائه شده است که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.عوامل پدید آورنده خطاهای سیم‌پیچ:همه انواع خطای سیم‌پیچ استاتور ریشه در خرابی عایق سیم‌پیچ دارند. تنش‌های مختلفی در ساختار موتور و به ویژه استاتور ممکن است منجر به خرابی عایق سیم‌پیچ و بروز خطا شوند. این تنش‌ها در قالب  تنش‌های حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و محیطی قابل دسته‌بندی هستند ۱-۲-۱-  تنش‌های حرارتیتنش‌های حرارتی بر اثر افزایش دمای سیم‌پیچ ها بوجود آمده و سبب کاهش طول عمر یا تخریب عایق سیم‌پیچ‌ها می‌شوند. آزمایش‌های استاندارد نشان می‌دهند که به ازای هر ۱۰ درجه سانتیگراد افزایش دمای سیم‌پیچ از حداکثر مقدار مجاز، طول عمر عایق آن به نصف تقلیل می‌یابد]۴[. عوامل افزایش ایجاد تنش حرارتی عبارتند از:اضافه ولتاژ : افزایش دامنه ولتاژ موجب افزایش دامنه شار ماشین، افزایش تلفات هسته، افزایش دما و ایجاد تنش حرارتی می‌شود.عدم تعادل ولتاژهای سه فاز : درصد اندکی عدم تعادلی در ولتاژهای سه فاز، موجب افزایش قابل توجه دامنه جریان سیم‌پیچ فازها شده و افزایش تلفات مسی ناشی از آن، افزایش دمای شدیدی را در سیم‌پیچ‌ها پدید می‌آورد. برای مثال فقط ۵/۳ درصد عدم تعادلی ولتاژها سبب ۲۵ درصد افزایش دما در سیم‌پیچ‌ها خواهد شد]۴[ .توقف و راه اندازی‌های مکرر : در حین راه اندازی، جریان موتور بین ۵ تا ۸ برابر جریان بار کامل است. بنابراین در زمان راه اندازی تلفات اهمی قابل توجهی در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود. حال اگر یک موتور در فواصل زمانی کوتاه بطور متناوب در معرض راه اندازی‌های مکرر قرار گیرد، تجمیع حرارت ناشی از افزایش تلفات اهمی موجب افزایش دمای سیم‌پیچ و بروز تنش حرارتی خواهد شد.اضافه بار : دمای سیم پیچ بطور تقریب متناسب با توان دوم بار موتور است. به عبارت دیگر دمای سیم‌پیچ با مربع افزایش گشتاور صعود می‌کند. بعنوان مثال اگر در دمای محیط ۴۰ درجه سانتیگراد یک موتور ۱۰۰ اسب بخار در دمای ۶۴ درجه سانتیگراد کار کند، با ۱۵ درصد افزایش بار دمای آن به ۸۵ درجه سانتیگراد خواهد رسید. بنابراین طول عمر موتور از ۱۰۰۰۰۰۰ ساعت مفروض به ۱۶۰۰۰۰ ساعت کاهش خواهد یافت .دمای محیط : موتورهای استاندارد معمولا برای کار در حداکثر دمای محیط معین (معمولا ۴۰ درجه سانتیگراد) طراحی می‌شوند. هر دمای محیطی فراتر از این مقدار، افزایش مشابهی را در دمای کار موتور پدید آورده باعث بروز تنش حرارتی می‌گردد.۱-۲-۲- تنش‌های الکتریکیتنش‌های ولتاژ الکتریکی سبب تخریب موضعی عایق الکتریکی و یا کاهش عمر عایق و در نهایت بروز خطاهای سیم‌پیچ از نوع اتصال کوتاه می‌شوند. بنابراین رابطه مستقیمی بین عمر عایق و تنش‌های ولتاژ اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها وجود دارد ]۹[. انواع تنش‌های الکتریکی موثر در این زمینه عبارتند از: پدیده تخریب عایق : در صورتی که در موتورهای با ولتاژ بیش از ۶۰۰ ولت سیستم الکتریکی موتور از محیط بیرون ایزوله نشده باشد، این پدیده رخ می‌دهد. فرآیند این نوع تخریب عایق بدین ترتیب است که ابتدا حفره‌های کوچک با جریان نشتی بین مس سیم و محیط آزاد ایجاد می‌شود که کاهش امپدانس بین سیم و زمین در اثر ترکیب رطوبت و مواد خارجی را به دنبال دارد. سپس با تخلیه الکتریکی جزیی به زمین و به وجود آمدن نقاط سوخته ریز در سیستم عایق الکتریکی فرآیند تخریب عایق کامل می‌شود.اضافه ولتاژهای لحظه‌ای : خطاهای اتصال کوتاه در سیم‌پیچ موتور می‌تواند در اثر اضافه ولتاژهای لحظه‌ای اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها رخ دهد. منشا اینگونه اضافه ولتاژها عبارتند از ]۹[:در فاز یا خط شبکه تغذیه گاهی اضافه ولتاژهایی تا ۵/۳ برابر ولتاژ اسمی با زمان خیزش بسیار کم به وجود می‌آیند. این اضافه ولتاژها در صورت رسیدن به سیم‌پیچ‌های موتور، به عایق آنها آسیب وارد می‌کنند.اضافه ولتاژهای ناشی از محدود کننده‌های جریان : زمانی که محدود کننده جریان، مثل (فیوز)، در لحظه‌ای که انرژی در میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها ذخیره شده عمل می‌کند، سبب ایجاد نوسان یا تشدید ولتاژ می‌شود. این امر با اضافه ولتاژهای لحظه‌ای همراه است و سبب آسیب به عایق سیم‌پیچ می‌شود.اضافه ولتاژهای ناشی از عملکرد در درایوهای فرکانس متغیر و در لحظات راه اندازی، توقف و نیز در تغییر سیکل‌های کاری امکان وقوع دارند. این اضافه ولتاژها با دامنه ۲ تا ۵ برابر ولتاژ اسمی و زمان خیزش از ۱/۰ تا میلی ثانیه می‌توانند به وجود آیند و تهدیدی برای عایق سیم‌پیچ‌ها به حساب می‌آیند.۱-۲-۳- تنش‌های مکانیکی:تنش‌های مکانیکی از نیروهای مکانیکی سرچشمه می‌گیرند. حرکت سیم‌پیچ‌ها در اثر نیروهای وارده بر آن‌ها و برخورد احتمالی روتور به استاتور از جمله مصادیق اصلی تنش‌های مکانیکی هستند که می‌توانند سبب آسیب عایق و بروز خطای سیم‌پیچ شوند.حرکت سیم‌پیچ‌ها : جریان سیم‌پیچ‌ها در مجاورت شار مغناطیسی، نیرویی در آن‌ها القا می‌کند که متناسب با مجذور جریان است. بنابراین نیروی مذکور در لحظات راه‌اندازی بیشترین مقدار را دارد. این نیرو سبب حرکت کلاف‌ها در شیارها شده آسیب جدی به عایق سیم‌پیچ‌ها وارد می‌کند. ماشین‌های بزرگ و پر سرعت، از این ناحیه (حرکت سیم‌پیچ‌ها) بیشتر دچار خرابی می‌شوند. افزایش دنباله سیم‌پیچ‌ها نیز سبب افزایش دامنه نیرو ، افزایش حرکت سیم‌پیچ‌ها و افزایش احتمال خرابی می‌شود.برخورد روتور به استاتور : دلایل متعددی برای برخورد روتور به استاتور وجود دارد. از آن جمله به موارد زیر می‌توان اشاره کرد :خرابی بلبرینگ‌ها.جابجایی موازی روتور نسبت به محور استاتور.انحراف زاویه محور روتور نسبت به محور استاتور.برخورد روتور به استاتور در شرایط متفاوتی پدید می‌آید. ممکن است این تصادف فقط در لحظه راه اندازی رخ دهد که در این صورت به مرور زمان ورقه‌های استاتور ضمن آسیب رساندن به عایق سیم‌پیچ با هادی آن در تماس قرار می‌گیرند و در نتیجه خطای اتصال فاز به زمین پدید می‌آید. در این شرایط ممکن است از شروع برخوردها در لحظات راه اندازی تا وقوع اتصال فاز به زمین چند سال طول بکشد. همچنین ممکن است تصادف در حین کار موتور با سرعت پایدار رخ دهد. در اینصورت خطر وقوع خطای اتصال فاز به زمین جدی‌تر است. زیرا این خطا خیلی سریع‌تر از حالت قبل پدید می‌آید. درضمن تحت این شرایط نقطه تماس به شدت گرم می‌شود تا جایی که می‌تواند منجر به ذوب آلومینیم روتور و گسترش انواع خرابی‌ها شود.۱-۲-۴- تنش‌های محیطی:تنش‌های محیطی از آلودگی‌های محیط ناشی می‌شوند. به دلیل عدم امکان ایزولاسیون یا درزگیری کامل موتور، این آلودگی‌ها، مانع از خشک و تمیز نگاه داشتن موتور می‌شوند. بعضی عواقب ناشی از تنش‌های محیطی عبارتند از:کاهش انتقال حرارت از موتور که سبب افزایش دمای کار و کاهش طول عمر عایق می‌شود.