Asenkron motorlarda kırık rotor çubuğunun belirlenmesinde mikrodenetleyici tabanlı sistemin tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of microcontroller based system for determination of broken rotor bar in asynchronous motor
Yazar: YILMAZ GÜVEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK ATİŞ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Elektronik ölçme aletleri = Electronic measurement instrument ; Harmonik sinyaller = Harmonic signals ; Teknik arıza = Technical failure ; Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors

Özet:
Asenkron motorlar basit yapıları ve yüksek verimliliklerinden dolayı endüstride sıklıkla kullanılan elektrik motorlarıdır. Ancak basit yapılarından dolayı bu motorlarda meydana gelebilecek arızaların erken tespiti zor ve bu arızaların sonuçları geri dönülemez olabilir. Asenkron motorlarda elektriksel arızaların çoğu rotor kaynaklıdır. Üretim aşamasında veya sonradan meydana gelebilecek rotor arızaları motorun verimliliğini düşürdüğü gibi bir süre sonra başka arızalara veya motorun tamamen kullanılmaz hale gelmesine neden olabilmektedir. 
Rotor arızalarının tespiti üzerine birçok teorik ve deneysel araştırma bulunmaktadır. Bu çalışmalar karmaşık deneysel düzenekler ve geniş teorik bilgi gerektirdiğinden, sahada uygulanabilirliği oldukça zor ve herkes tarafından uygulanması da güçtür. Arıza tespitine yönelik bazı bilgisayar tabanlı sistemlerin maliyeti yüksek ve kullanımı pratik değildir. Bu tez çalışmasında mevcut uygulamaların olumsuzlukları ortadan kaldırmak için gelişen mikrodenetleyici teknolojilerinden faydalanılarak, asenkron motorlarda rotor çubuklarında meydana gelebilecek kırıklardan kaynaklanan elektriksel arızaların tespitine yönelik bir cihaz geliştirilmiştir. Cihaz, motor işletme şartlarında yani yük altında çalışır durumda iken sadece stator akımını üzerinden gerekli ölçüm ve analizleri gerçekleştirerek muhtemel rotor arızaları hakkında bilgi vermektedir. Arıza tespit cihazını kullanmak için motorun sökülmesi veya herhangi ekstra donanım ve yazılıma ihtiyaç duyulmamaktadır. 
Gerçekleştirilen cihaz, stator akımını hall etkili bir akım sensörü yardımıyla ölçtükten sonra filtre ederek özel bir hızlı Fourier dönüşüm (FFT) algoritması ile analiz etmektedir. Rotor arızalarının stator akımında meydana getirdiği harmoniklerin tespiti için tek ve çift harmonikler filtre edildikten sonra kalan yan bant bileşenleri, frekans ve genliklerine göre analiz edilerek rotor çubuklarında kırık olup olmadığını tespit edilmektedir. Bu yan bantların genlikleri çok düşük olduğundan tespiti zordur. Ayrıca yan bantların frekansları da şebeke frekansına çok yakın olduğundan analiz edilmesi için özel bir analiz yöntemi kullanılmıştır. FFT analizinden alınan frekans ve genlik değerleri Gri-İlişkisel Analiz (GRA) yöntemi kullanılarak yorumlanmıştır. Bu sayede FFT değerlerindeki en ufak değişim bile göz ardı edilmeden doğruluk payı yüksek bir metot geliştirilmiştir. Geliştirilen cihaz aynı zamanda tüm bu verileri bilgisayar ortamına aktararak daha ileri yöntemlerle analize de imkânı vermektedir.

Abstract:
Asynchronous motors are widely used in the industry because of their simple construction and high efficiency. However, due to their simple construction, it is difficult to detect faults that may occur in these induction motor and result of these faults may be irreversible. Most of the electrical failures are rotor-welded in asynchronous motors. Rotor breakdowns may occur in the production phase or afterwards. In both cases, motor loses its efficiency and other related faults may be emerged. Eventually, motor may become completely unusable.
There are many theoretical and experimental researches on rotor fault detection. Since these techniques require complex experimental setups and extensive theoretical knowledge, the feasibility of these technique is very low to be used in the field by all. Computer based fault detection system are expensive and impractical to use. In this thesis, a device has been developed for detecting electrical failures caused by broken rotor bars in asynchronous motors with the help of developing microcontroller technologies to eliminate the negativities of the previous applications. The device provides information about possible rotor malfunction by performing necessary measurements and analysis on the stator current during loaded routine operating condition. There is no need to disassemble the motor or use any extra equipment and third-party software.  
The device analyzes the stator current by using a special Fast Fourier Transform algorithm with the help of a Hall effect current sensor and a digital filter. First the single and double harmonics are filtered for detecting the harmonics caused by rotor failures and then these remaining sideband components are analyzed according to their frequency and amplitudes to determine whether or not the rotor bars are broken. It is difficult to detect these sideband harmonics since their amplitudes are very low. Besides, the frequencies of these sideband are very close to base frequency so a special analysis method is essential. Because of that, the frequency and amplitude values obtained from Fast Fourier Transform are interpreted by using a Gray-Relational Analysis method. Even a slight change on the values has been considered to improve the accuracy of the method. The device is also able to transfer all these data to a computer for further analysis.