title: Αποφυγή εσφαλμένα αρνητικών διαγνώσεων σφαλμάτων δρομέα σε βιομηχανικούς επαγωγικούς κινητήρες
title: Avoidance of false negative rotor false diagnoses in industrial induction motors
Creators: name: Τραχαλακης Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Ένα από τα πιο συχνά προβλήματα που παρουσιάζουν οι ηλεκτρικές μηχανές και μπορούν να διαγνωστούν πριν προκαλέσουν σοβαρές βλάβες, λόγω της αργής τους εξέλιξης, είναι τα ηλεκτρικά σφάλματα του δρομέα. Χάρη στην φύση τους, αφήνουν περιθώρια στην διαγνωστική επιστήμη των ηλεκτρικών μηχανών να μελετηθούν και να ληφθούν οι απαραίτητες αποφάσεις για να αποφευχθούν οι περιττές διακοπές λειτουργίας αλλά και οι καταστροφικές επιπτώσεις τους στη μηχανή και στα υπόλοιπα συνδεμένα συστήματα σε αυτή, αποφεύγοντας έτσι σημαντικές δαπάνες και κόστη συντήρησης.
Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία εστιάζει σε ασύγχρονες μηχανές κλωβού, οι οποίες συχνά παρουσιάζουν σπασίματα ή ραγίσματα στις μπάρες και στους δακτυλίους σύνδεσης του δρομέα. Σε πολλές περιπτώσεις, με την εφαρμογή παραδοσιακών διαγνωστικών μεθόδων, τέτοια σφάλματα δεν μπορούν να εντοπιστούν μέχρι να προκαλέσουν σοβαρές επιπτώσεις στην λειτουργικότητα της μηχανής. Αυτό το φαινόμενο είναι ακόμα πιο έντονο σε περιπτώσεις σπασμένων μη γειτονικών μπαρών, που οι ασυμμετρίες του πεδίου που προκαλούν η κάθε μία από αυτές αλληλοαναιρούνται και έτσι προκύπτουν εσφαλμένα αρνητικές διαγνώσεις ενώ στην πραγματικότητα υπάρχει πρόβλημα στη μηχανή.
Μια λύση που έχει δώσει η βιβλιογραφία μέχρι τώρα για αυτές τις περιπτώσεις, είναι οι μετρήσεις ρεύματος και μαγνητικής ροής σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας, όπως για παράδειγμα κατά την εκκίνηση, όπου το αρμονικό περιεχόμενο των σπασμένων μπαρών διακρίνεται ανάμεσα στις φυσιολογικές αρμονικές της μηχανής κατά την μεταβολή της ταχύτητας. Σε πολλές πρακτικές εφαρμογές όμως στη βιομηχανία, η λύση αυτή είναι πολύ δαπανηρή και ασύμφορη, καθώς ο αριθμός των εκκινήσεων κάποιων μηχανών συνδέεται άμεσα με την διάρκεια ζωής τους ή την απώλεια παραγωγής για κάποιο σημαντικό χρονικό διάστημα.
Μια λύση στο παραπάνω πρόβλημα έρχεται να δώσει η παρούσα διπλωματική εργασία, βασισμένη στην ανάλυση της μαγνητικής ροής μηδενικής ακολουθίας κατά τη μόνιμη λειτουργία. Για την διεκπεραίωση αυτής της έρευνας, σχεδιάστηκε επαγωγικός κινητήρας 400V σε λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (Simcenter Magnet), το οποίο προσομοίωσε την εκκίνηση και την σταθερή λειτουργία της μηχανής στην υγιή περίπτωση αλλά και σε περιπτώσεις με σπασμένες μπάρες. Τα δεδομένα αυτών των περιπτώσεων υποβλήθηκαν σε επεξεργασία μέσω του λογισμικού Matlab, και εξετάστηκε η αξιοπιστία της παραπάνω διαγνωστικής μεθόδου σε σχέση με όλες τις προηγούμενες, τόσο κατά την εκκίνηση όσο και κατά τη σταθερή λειτουργία της μηχανής.
description: One of the most common problems that electric machines exhibit, which can be diagnosed before causing serious damage due to their slow progression, are rotor electrical faults. Thanks to their nature, these faults provide diagnostic science with the opportunity to study them and take the necessary actions to avoid unnecessary operational interruptions as well as the catastrophic effects on the machine and other connected systems, thereby avoiding significant maintenance costs.
This thesis focuses on squirrel-cage induction motors, which often experience breaks or cracks in the bars and end rings of the rotor. In many cases, traditional diagnostic methods fail to detect such faults until they cause severe impacts on the machine’s functionality. This phenomenon is even more pronounced in cases of non-adjacent broken bars, where the field asymmetries caused by each broken bar cancel each other out, leading to false negative diagnoses even though a fault exists in the machine.
One solution provided in the literature for such cases involves measuring current and magnetic flux during transient operation, such as during startup, where the harmonic content caused by the broken bars stands out among the machine’s normal harmonics as the speed changes. However, in many industrial applications, this solution is costly and impractical, as the number of starts for certain machines is directly tied to their lifespan or may result in production loss for a significant period.
This thesis proposes a solution to this problem, based on the analysis of zero-sequence magnetic flux during steady-state operation. For the execution of this research, we modeled an induction motor 400V in finite element analysis software (Simcenter Magnet), which simulated both the startup and steady-state operation of the motor in healthy conditions as well as in cases with broken bars. The data from these cases were processed using Matlab software, and the reliability of this diagnostic method was examined in comparison to previous methods, both during startup and steady-state operation of the machine.