Asenkron Motorlarda Stator Sarım-Sarım Arası Kısa Devre Arızasının Elektriksel, Mekaniksel ve Manyetiksel Motor Parametrelerine Dinamik Etkileri

Abstract

Bu çalışmada asenkron motorlarda yaygın olarak görülen stator sarım-sarım arası kısa devre arızasının elektriksel, mekaniksel ve manyetiksel motor parametrlerine dinamik etkisi detaylı olarak incelenmiştir. Bu amaçla kalıcı ve geçici durum analizlerinin yapılabilmesine imkan sağlayan Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method-FEM) tabanlı ANSYS@Maxwell-2D programından yararlanılmıştır. Öncelikle 2.2 kW anma gücüne sahip bir asenkron motor modellenerek bu model üzerinde sağlıklı durum verileri toplanmıştır. Daha sonra farklı seviyelerde stator sarım-sarım arası kısa devre arızaları oluşturularak arızalı durumda belirlenen motor parametrelerinin değişimi ve karakteristik arıza sinyalleri incelenmiştir. Arızalı durumda Hızlı Fourier Dönüşümü (Fast Fourier Transform-FFT) aracılığıyla elektriksel parametrelerden stator akımı ve indüklenen ters elektromotor kuvvet gerilimi, mekaniksel büyüklüklerden çıkış momenti ve manyetiksel parametrelerden kaçak akıdaki değişimler hem zaman hemde frekans ekseninde detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca stator sarım sarım arızasını tespit etmek için kaçak akı analizi yapılmış ve karakteristik arıza sinyalleri belirlenmiştir. Elde edilen bulgular laboratuvar ortamında oluşturulan devre düzeneği ile doğrulanmıştır.

Keywords

• Asenkron Motor
• Arıza Tespiti
• Kaçak Akı Analizi
• Stator Sarım-Sarım Kısa Devre Arızası
• Sonlu Elemanlar Yöntemi

The Dynamic Effects of Stator Turn-to-Turn Short Circuit Fault on the Electrical, Mechanical and Magnetical Motor Parameters in Induction Motors

Abstract

In this study, the dynamic effect of stator turn-to-turn short-circuit fault on electrical, mechanical and magnetic motor parameters is investigated in detail. For this purpose, the Finite Element Method (FEM) based ANSYS@Maxwell-2D program is used, which enables steady state and transient analysis. The changes in stator current and induced back electromotive force voltage from electrical parameters, output torque from mechanical variables and leakage flux from magnetic parameters are examined in detail in both time and frequency axis by means of Fast Fourier Transform (FFT) for the faulty state. Moreover, in order to detect stator turn-to-turn fault, stray flux analysis is carried out and characteristics fault signatures are defined. The obtained results and findings have been proven through the developed experimental setup in laboratuvary.

Keywords

• Induction Motor
• Fault Detection
• Stray Flux Analysis
• Stator Turn-to-Turn- Short Circuit Fault
• Finite Element Method
• Induction Motor, Fault Detection, Stray Flux Analysis, Stator Turn-to-Turn- Short Circuit Fault, Finite Element Method

References

1. Doğan, Z. 2012. Ayrıklaştırma Yöntemleri ve Yapay Sinir Ağı Kullanarak Asenkron Motorlarda Arıza Teşhisi. Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 169s, İstanbul.
2. Miljković, D. 2015. Brief Review of Motor Current Signature Analysis. HDKBR INF. Mag., cilt. 5, s. 14–26.
3. Alsaedi, M. A. 2015. Fault Diagnosis of Three-Phase Induction Motor: A Review. Optics, cilt. 4, s. 1-8, doi: 10.11648/j.optics.s.2015040101.11.
4. Darie, E., Darie Eleonora. 2007. About modeling of induction motor faults. 6th Int. Conf. Electromechanical Power Syst., 4-6 Kasım, Chişinau, Rep.Moldova, s. 172–175,
5. Nandi, S., Toliyat, H. A., Li, X. 2005, Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors - A review. IEEE Trans. Energy Convers., cilt. 20, no. 4, s. 719–729, doi: 10.1109/TEC.2005.847955.
6. Eftekhari, M., Moallem, M., Sadri, S., Shojaei, A. 2013. Review of induction motor testing and monitoring methods for inter-turn stator winding faults. 21st Iran. Conf. Electr. Eng. ICEE 2013, s. 13–18.
7. Negrea, M. D. 2006. Electromagnetic Flux Monitoring for Detecting Faults in Electrical Machines. Helsinki Üniversitesi, Doktora Tezi, 142s, Helsinki
8. Özelgin, İ. 2006. Asenkron Motor Arızalarının Dinamik Parametrelere Etkisi ve Frekans Analizi İle Tanısı. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 100s, İstanbul.

9. Doğan, Z. 2012. Asenkron Motorlarda Akım ve Titreşim Verisine Dayalı Kestirimci Bakım, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Bilimsel Araştırmalar Komisyonu Sonuç Raporu 2011/04, 41s,Tokat
10. Siddique, A., Yadava, G. S., Singh, B. 2005. A review of stator fault monitoring techniques of induction motors, IEEE Trans. Energy Convers., cilt. 20, no. 1, s. 106–114, doi: 10.1109/TEC.2004.837304.
11. Karmakar, S., Chattopadhyay, S., Mitra, M., Sengupta, S. 2016. Induction Motor Fault Diagnosis Approach Through Current Signature Analysis. Power Systems doi: 10.1007/978-981-10-0624-1
12. Uçar, H. M. 2008. Asenkron Motorlarda İşaret Tabanlı Stator Yalıtım Arıza Tanısı, İstanbul Teknik Üni., Fen Bil. Enstitüsü, Doktora Tezi, 84 s, İstanbul.
13. Çeven, S., Bayır, R. 2020. Bir Asenkron Motorun Mekanik Titreşim Sinyallerinin Ölçülerek Arıza Analizinin Yapılması. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, s. 312-322. DOI: 10.31590/ejosat.780063
14. Penman, J., Sedding, H. G., Lloyd, B. A. 1994. Detection and Location of Interturn Short Circuits, IEEE Trans. Energy Convers., cilt. 9, no. 4, s. 652–658.
15. Surya, G. N., Khan, Z. J., Ballal M. S., Suryawanshi H. M. 2017. A simplified frequency-domain detection of stator turn fault in squirrel-cage induction motors using an observer coil technique. IEEE Transactions on Industrial Electronics, cilt. 64, no.2, s. 1495-1506. DOI: 10.1109/TIE.2016.2611585
16. Ceban, A., Pusca, R., Romary, R., Lecointe, P. 2011. Diagnosis of Inter-turn Short Circuit Fault in Induction Machine, Annals of the University of Craiova, Electr. Eng. series, no. 35, s. 103–110.
17. Irhoumah, M., Pusca, R., Lefevre, E., Mercier, D., Romary, R., Demian, C. 2018. Information Fusion with Belief Functions for Detection of Interturn Short-Circuit Faults in Electrical Machines Using External Flux Sensors, IEEE Trans. Ind. Elect., cilt. 65, no. 3, s. 2642–2652.
18. Pusca, R., Romary, R., Ceban, A., Brudny, J. F. 2010. An online universal diagnosis procedure using two external flux sensors applied to the AC electrical rotating machines, Sensors (Switzerland), cilt. 10, no. 11, s. 10448–10466, doi: 10.3390/s101110448.
19. Arkan, M. 2000. Stator fault diagnosis in induction motors, University of Sussex, Phd Thesis, 215s, Brighton.
20. Joksimovic G. M., Penman, J. 2000. The detection of inter-turn short circuits in the stator windings of operating motors, IEEE Trans. Ind. Electron., cilt. 47, no. 5, s. 1078–1084, doi: 10.1109/41.873216.
21. Nandi, S. 2005. Detection of stator faults in induction machines using residual saturation harmonics. IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, s. 256-263
22. Jung, J. H., Lee, J. H., Kwon, B. H. 2006. Online diagnosis of induction motors using MCSA, IEEE Trans. Ind. Electron., cilt. 53, no. 6, s. 1842–1852.
23. Cherif, H., Menacer, A., Romary, R., Pusca, R. 2017. Dispersion field analysis using discrete wavelet transform for inter-turn stator fault detection in induction motors. 2017 IEEE 11th Int. Symp. Diagnostics Electr. Mach. Power Electron. Drives, Ağustos 2017, Sdemped, s. 104–109, doi: 10.1109/DEMPED.2017.8062341.
24. Henao, H., Demian, C., Capolino, G. A. 2003. A frequency-domain detection of stator winding faults in induction machines using an external flux sensor, IEEE Trans. Ind. Appl., cilt. 39, no. 5, s. 1272–1279, doi: 10.1109/TIA.2003.816531.
25. Wolkiewicz, M., Skowron, M. 2017. Diagnostic System for Induction Motor Stator Winding Faults Based on Axial Flux, Power Electron. Drives, cilt. 2, no. 2, s. 137–150, doi: 10.5277/ped170204.
26. Küçüker A., Bayrak, M. 2015. Detection of stator winding fault in induction motor using instantaneous power signature analysis, Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., cilt. 23, no. 5, s. 1263–1271, doi: 10.3906/elk-1304-72.