Yineleme analizi ile elektrik makinelerinde durum takibi
Recurrence analysis in condition monitoring of electrical machines
Yazar: ERHAN ÖZGÖR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU BAYRAM KARA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik makineleri, özellikle basit yapıları ve düşük maliyetli olmaları sebebiyle asenkron motorlar, endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Dolayısıyla arızi durumlarıyla karşılaşılma sıklığındaki artış işçilik, zaman ve maliyet kayıplarına sebebiyet vermektedir. Elektrik makinelerinin kullanıldıkları sistemlerin verimliliklerini ve sürdürülebilirliklerini arttırabilmek adına elektrik makinelerinin durum incelemesi ve hata tespit çalışmaları önemli hale gelmiştir.
Elektrik makinelerinde meydana gelen arıza durumlarının %70'ini mekanik arızalar oluşturmaktadır. Rulman arızaları ise elektrik makinelerinde en sık görülen mekanik arızaların başında gelmektedir. Rulman arızaları, elektrik makinelerinin titreşim profilinde değişiklikler oluşturur. Bu nedenle, bu çalışmada, elektrik makinelerinde titreşim verilerinin işlenmesi ve yaşlanma etkisinin gözlemlenmesi için yineleme analizi ve yineleme haritalarının kantitatif analizi yönteminin uygulanmasına dair bir yaklaşım geliştirilmiştir.
Çalışmada, yaşlanma sürecini hızlandırmak için kontrollü olarak termokimyasal ve mekanik yaşlanma işlemlere maruz bırakılarak yaşlandırılan sincap kafesli bir asenkron motorun için üç farklı yaşlanma durumuna ait veriler kullanılmıştır. 
Yineleme analizine dair teorik bilgiler paylaşılmış, zaman alanındaki veriden yineleme haritalarına kadar olan süreçte hesaplanması gereken parametreler ve süreçler anlatılmıştır. Gömme boyutu, gecikme zamanı ve eşik değeri parametrelerinin önemine dikkat çekilen çalışmada, bu parametrelerin seçimine yönelik çalışmalar icra edilmiştir. Faz uzayının yapılandırılma ve yineleme haritalarının elde edilme sürecinin akabinde, yineleme haritalarının kantitatif analizi yapılmıştır. Yineleme yoğunluğunun, diyagonal ve düşey çizgilerin analizine yönelik yapılacak incelemelere dair yaklaşım paylaşılmıştır.
Çalışmada titreşim sinyallerine yineleme analizi uygulanmıştır. Yineleme haritalarının oluşumuna kadar olan ki süreçte yanlış en yakın komşu yöntemi ile gömme boyutu, ortak enformasyon fonksiyonu yöntemi ile gecikme zamanı parametreleri hesaplanmıştır. Eşik değerinin hesaplanmasının ardından üç farklı yaşlanma durumu için yineleme haritaları oluşturulmuştur. Yineleme haritalarını kantitatif analizi ile yineleme oranı, determinizm, en uzun diyagonal çizgi, laminerlik ve yakalama süresi parametreleri hesaplanmıştır. Sağlıklı durumdan yüksek bozulum durumuna geçişte parametrelerde beklenen değişim belirtilmiştir ve bu parametreler yardımıyla sincap kafesli asenkron motorun sağlık durum ve arızi durumları arasındaki ilişki ortaya koyularak, bir elektrik makinesinin durum takibi için yineleme analizinin kullanılabilirliğine dair çalışmalar tamamlanmıştır. 
Yapılan çalışmanın diğer çıktıları olarak, yaşlanmanın, sistemin faz portresindeki değişimlerine değinilmiştir. Eşik değeri parametresinin seçiminin, yaşlanma durumunun tespitinde belirleyici olduğu ve yineleme haritaları ile yaşlanma aşamalarındaki anlaşılırlığının dalgacık analizi tabanlı çoklu çözünürlük analizi uygulanarak elde edilen en yüksek frekans içeriğinden elde edilmesiyle arttırılabildiği görülmüştür.

Abstract:
Electric machines, especially induction motors, are widely used in the industry due to their simple structures and low costs. Therefore, the increased frequency of encountering occasional situations results in labor, time, and cost losses. In order to improve the efficiency and sustainability of the systems where electric machines are used, the condition analysis and fault detection studies of electric machines have become important.
Mechanical failures account for 70% of the defects in electric machines. Bearing failures are the most common mechanical failures in electric machines. Bearing failures lead to changes in the vibration profile of electric machines. Therefore, in this study, an approach has been developed for the processing of vibration data in electric machines and the observation of the aging effect through the application of the recurrence quantification analysis and recurrence plots.
In the study, data from a squirrel-cage induction motor, which was intentionally subjected to controlled thermochemical and mechanical aging processes to accelerate the aging process, were used for three different aging conditions.
Theoretical information regarding recurrence analysis has been provided, and the parameters and processes that need to be calculated in the process from time-domain data to recurrence plots have been explained. In the study, the importance of embedding dimension, time delay, and threshold parameters was emphasized, and efforts were made to select these parameters. Following the construction of the phase space and the generation of recurrence plots; recurrence quantification analysis was conducted which calculate recurrence density and metrics based on the structures of diagonal, and vertical lines. 
In the study, recurrence analysis was applied to vibration signals. In the process leading to the formation of recurrence plots, the embedding dimension was calculated using the false nearest neighbor method, and the time delay parameter was determined using the mutual information function method. After calculating the threshold, recurrence plots were created for three different aging conditions. The recurrence quantification analysis involved the calculation of recurrence rate, determinism, the longest diagonal line, laminarity, and trapping time parameters. Expected changes in the parameters during the transition from a healthy state to a high degradation state were indicated, and through these parameters, the relationship between the healthy and faulty conditions of the squirrel-cage induction motor was revealed. This study has been completed to assess the applicability of recurrence analysis for condition monitoring of an electric machine.
Among the other outcomes of the study, changes in the system's phase portrait due to aging were discussed. It was observed that the selection of the threshold parameter is crucial in identifying the aging condition and that the clarity of aging stages can be enhanced by obtaining the highest frequency content through wavelet analysis-based multi-resolution analysis of recurrence plots.