Asenkron motorlarda rotor çubuk kırılmasının işletme başarımı üzerine etkisinin sonlu elemanlar yöntemiyle tespitine katkılar
Contributions to determining the effect of rotor bar break on operational performance of induntion motors by finite element method
Yazar: VOLKAN KURT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen teknoloji ile elektrik makinaları endüstrinin vazgeçilmez parçası olmuştur. Asenkron makinalar üretimin kolay olması, bakım gereksinimlerinin az olması ve basit yapıları sebebiyle endüstride en çok tercih edilen elektrik makinalarıdır. Kullanımlarının bu denli yaygın olması nedeniyle arızalarının tespitinin kısa sürede saptanması ve giderilmesi, yani işletmedeki duruşların azaltılması teknolojik ve ticari açıdan önemlidir. Çünkü işletmelerin herhangi bir duruş veya yavaşlamaya toleransları yoktur. Bu sebeple durum izleme ve performans değerlendirme hayati öneme sahiptir.
Asenkron makinalar zorlu endüstriyel ortam şartları ve işletme koşulları neticesinde her bir parçasında potansiyel arıza riskine sahiptir. EPRI ve IEEE'nin yaptığı çalışmalar sonucunda asenkron makinalarda arızalar %40 oranında rulman, %30 oranında stator ve %9 oranında rotor arızalarından meydana gelmektedir. Kalan yüzde ise motor sürtünme-vantilasyon arızaları, stator çekirdek arızaları ve beklenmedik mil gerilimlerinin neden olduğu arızalardır. Motorda meydana gelen arızaların oluşmadan tespit edilmesine yönelik birçok yöntem vardır. Bunlar, motor akım sinyal analizi, titreşim sinyal analizi, sıcaklık analizi, elektriksel boşalma izleme vb. şeklinde sıralanabilir. Bu yöntemler arasından akım sinyali analizi doğrudan motor ile temasın mümkün olmadığı ortam şartlarında veri temininin kolay olması ve elde edilen verinin depolanabilmesine imkan sağladığı için en popüler olanıdır.
Bu tez çalışmasında asenkron motorun rotor çubuk kırılmasının ve etkilerinin tespit edilebilmesi amacı ile farklı rotor çubuğu kırılma senaryoları için ANSYS Maxwell 2D sonlu elemanlar yöntemi tabanlı inceleme yapılmış ve tespitlerde bulunulmuştur. Her bir arıza senaryosu için manyetik analizler yapılarak çeşitli işletme büyüklüklerindeki değişimler gözlemlenerek arızaların öngörülebilmesi ve etkilerinin anlaşılabilmesi için işletme büyüklükleri analiz edilmiş ve motor başarımı elde edilmiştir. Manyetik analizlerde farklı arıza senaryoları kapsamında bir rotor çubuğu, iki rotor çubuğu yan yana, üç rotor çubuğu yan yana, dört rotor çubuğu yan yana ve beş rotor çubuğu yan yana kırık olacak şekilde tekrarlanmıştır. Ayrıca kırık rotor çubuklarının birbirine göre konumunun etkisini incelemek için iki rotor çubuğu 180o karşılıklı ve dört rotor çubuğu 90'ar derece karşılıklı olacak şekilde analizler yapılmıştır.
Sonlu elemanlar yöntemiyle teorik olarak yapılan çalışmayı desteklemek amacıyla piyasada bulunan 4 kW'lık 4 kutuplu IE3 verim sınıfına sahip motorun IEC 60034-2-1 "Kayıplar ve Verimin Deneylerle Belirlenmesinde kullanılan Standart Yöntemler" standardına göre yükleme testleri yapılmıştır. Böylece farklı arıza durumlarının işletme davranışına olan etkileri araştırılmıştır. Testler kapsamında motorun akım, hız, kalkış ve devrilme momentleri, karakteristikleri, kayıpları, verimi ve sıcaklık değerleri incelenmiştir.
Bu tezde arızalı motorun akım sinyali analizi yapılarak arıza tespiti yapılmıştır. Yükte testi sırasında motorun akım sinyali elde edilmiştir ve akım sinyalinin güç spektral yoğunluğu incelenmiştir. Böylelikle kırık rotor çubuğu arızasının akım sinyali üzerinde frekans yan bantları değerlendirilmiştir.
Yapılan manyetik analiz, gerçekleme testleri ve akım sinyal analizleri ışığında rotor yan yana çubuk kırığının sayısının artması motor işletme davranışını olumsuz yönde etkilemektedir. Aynı sayıdaki kırık rotor çubuklarının birbirlerine göre yan yana ve birbirlerine göre karşılıklı olmaları durumlarında gözlenen etki akım sinyal analizinin arızanın şiddeti hakkında kesin bilgi veremeyeceğini göstermiştir.

Abstract:
Electrical machines have been essential part of industry with developing technology. Induction machines are the most preferred electrical machines in industry because of being simple construction, needing low maintenance, easy production. Due to excessive use of induction machines, from technological and economical point of view, it is also important the detecting and managing the fault by means of shortening the dead time intervals. This is due to the fact that, any break-off or deceleration in industrial process can result in huge finansial losses. Therefore, condition monitoring and performance managing are critical.
Each components of induction motors have a potantial risk due to harsh industrial environment and operational contions. Important survey related to failure of induction machines are made by EPRI and IEEE. As the result of these surveys, it can be concluded that the most common failure mode is bearing failures with a rate of approximately 40%. Winding faults are also very frequent with 30%, whereas rotor related faults are at around 9%. There are a lot of causes to occuring motor fault such as that long-term thermal aging and deterioration of winding insulation, thermal stress during starting or thermal overload, environmental stress,magnetic stress, oscillation of supply voltage and current, static eccentricity and rotor shat vibration due to large putput torque. In order to detect and diagnosis these faults, several condition monitoring techniques are used like that motor current signature analysis, vibration signal analysis, thermal analysis, partial discharge monitoring etc. Motor current signature analysis, which contains potential information of motor faults, is the prefered method type in others and using this methos has advanteges such as no prediction of motor data and easily getting current data from motor.
In this study, to show the accuracy of the motor model, two diffrent softwares that analitical solution can be made as ANSYS RMxprt Tools and SPEED. After then the ANSYS Maxwell 2D magnetic analysis software is used for investigating the magnetic parameter of induction motor with broken rotor bar fault. By using the finite element model of the machine, the air gap magnetic flux density according to the air gap length and harmonic component of air gap magnetic flux density are examined for both healty case and faults cases. Moreover, torque saturation and magnetic flux density distribution are acquired for each fault conditions.  Magnetic analysis is conducted for the healty rotor, the rotor single broken bar, the rotor two adjacent broken bars, the rotor three adjacent broken bars, the rotor four adjacent broken bars and the rotor five adjacent broken bars. Additionally, magnetic analysis is repeated for the rotor two reciprocally broken bars and the rotor four reciprocally broken bars to investigate the effect of broken rotor bars position of the each other.
In induction machines, because of the fact that the stator conductors cannot be distributed to the stator grooves in sinus form, the ampere-winding expression of the machine cannot be made as pure sinus even if the machine feed is pure sinus. As a natural consequence, the amperage-winding function contains harmonic sums. For the harmonic total calculation, the amperage-winding expression should be known Because the amper-winding distribution is related to the magnetic flux distribution in the air range. In induction motors with constant air gap, the amperage-winding distribution is regulated. However, ampere-winding distribution changes due to stagger and broken rotor bars. This results in an increase in the harmonic amplitudes and the production of extra harmonic components in the magnetic field in the air gap.
Induction motor with 4 kW and IE3 efficiency class in market is tested under rated load according to the IEC 60034-2-1 "Standard methods for determining losses and efficiency from tests" to support the theoretical study by finite element method. This standard scope is that part of IEC 60034 is conceiveded to establish methods of determining efficiencies from tests, and also to specify method of getting specific losses. In this process, motor's basic values are recorded like that  input power, torque, line current, phase-to-phase voltage, nminal speed, supply frequency, winding temperature and phase-to-phase resistance values to calculate of motor  ıron losses, stator copper losses, rotor copper losses and additional losses values. According to sum of all losses, motor efficiency value is determined. Moreover, motor air gap temperature value is recorded to investigate the effect of broken rotor bar on the motor temperature rise. Beside, motor vibration analized is done and compared to each cases.
In this study, motor current signature analysis ,which it is one of the most effective methods of online motor diagnosis for detecting motor faults. Using MCSA has advantages such as no estimation of motor parameters and the simplicity of current sensors and their installation, is used to detect rotor faults so, while motor is testing under rated load, one phase line current is recorded. Then the motor current is looked into in the frequency domain and its power spectrum density is acquired for each condition. Thus, the effect of fault conditions is shown comparatively on motor current via the power spectrum density.
Magnetic analysis, load tests and current signal analysis show that the effect of broken rotor bar fault on motor electromagnetic and mechanical performance, and simulation result based on motor matematical model analysis, support the experimental result reasonably. It was found that faults due to broken rotor bars degrade the magnetic flux distribution in the airgap and its harmonic components are increased and new components are occured. Moreover, the magnetic field distribution on motor geometry for the case of no broken rotor bars is symmetrical, while the symmetry of magetic field distribution is distorted in the case of broken rotor bars and a higher degree of magnetic saturation can be observed around the broken rotor bars. Motor performance tests show that as the number of adjacent broken rotor bars is increased, motor performance is affected negatively. However, it is seen motor performances with symmetric broken rotor bars are affected little than motor performances with asymmetric broken rotor bars in faults which have same number of broken rotor bar. Motor current signature analysis is used to detect broken rotor bars faults and to show that affect of different loads, affects of number of broken rotor bars and their distribution on rotor. It is seen that as motor load is increased, the amplitude of sideband and  the distance of the side bands from the basic component increase. The effect of their is getting increase as the number of broken rotor bars is increased.
This study contribute to the detection and interpretation of problems related to motor operating reliability in the occurrence of broken rotor bars failures in asynchronous machines.