Yük salınımı durumunda asenkron motorda rotor çubuk arızasının gerçek zamanlı tespiti
Online rotor bar fault detection in induction motor under load oscillation
Yazar: TANER GÖKTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. MÜSLÜM ARKAN
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors

Özet:
Kırık rotor arızasının tespiti için kullanılan en yaygın metot motor akım imza analizi ile arızaya ilişkin temel harmoniğin yan bandlarının analiz edilmesidir. Eğer motor düşük frekanslı yük momenti salınımına maruz kalırsa,  salınım ile ilişkili harmonikler kırık rotor çubuk arızasına benzer bir davranış sergilerler. Pratikte, asenkron motorda kayma frekansının iki katına yakın frekanstaki yük salınımları stator akımında kırık rotor arızası ile aynı etkiye sahiptir. Bu gibi durumlarda stator akım spektrumu analizi yanlış anlaşılabilmekte ve bundan dolayı kırık rotor çubuk arızasının tespiti zorlaşabilmektedir.
Bu tez çalışmasında asenkron motorlarda kırık rotor çubuk arızasını düşük frekanslı yük momenti salınımından ayrıştırmak için üç farklı metot önerilmektedir. İlk olarak Hilbert dönüşümü (HT) ve uzay vektör açısal dalgalanma (SVAF) metodunun birleşiminden oluşan analitik sinyalin açısal dalgalanması (ASAF) metodu kullanılmaktadır. Yeni geliştirilen bu metotta Hilbert dönüşümü ile elde edilen analitik sinyalden belirlenen örnekleme frekansına göre uzay vektörünün açısal dalgalanması bulunmaktadır. Elde edilen ASAF sinyalinin spektrumundan yararlanılarak ayrıştırma işlemi sağlanmaktadır. Geliştirilen ASAF metodu hem şebeke hem de V/f açık çevrim kontrollü sürücüler ile beslenen asenkron motorlarda uygulanabilmektedir. 
Kırık rotor çubuk arızasını düşük frekanslı yük momenti salınımından ayrıştırmak için geliştirilen diğer bir metot ise; moment ve motor faz gerilimlerinin detaylıca analizinden elde edilen spektrumlardan yararlanılarak ayrıştırma harmoniklerinin tanımlanmasıdır. Bu metotta motor faz geriliminin doğru olarak ölçülebilmesi için asenkron motorun statoru yıldız bağlı olmalıdır. Ayrıştırma harmoniklerini belirlemek ve doğrulamak için iki boyutlu zaman adımlı sonlu elemanlar metodu (2D-TSFEM) kullanılmıştır. 
Asenkron motorlarda hız ve moment kontrolü için doğrudan moment kontrollü (DTC) sürücüler yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, DTC sürücülerde kırık rotor çubuk arızasının düşük frekanslı yük momenti salınımından ayrıştırılması henüz literatürde açıklanmamıştır. Bu tez de, son olarak DTC asenkron motor sürücülerinde kırık rotor çubuk arızasını düşük frekanslı yük momenti salınımdan ayrıştırmak için durağan referans çatıdaki vqs gerilim ve iqs akım bileşenlerinin spektrumları kullanılarak arıza indeksleri tanımlanmış ve bu arıza indeksleri kullanılarak bir ayrıştırma metodu geliştirilmiştir.
Bilgisayar benzetimi ve deneysel sonuçlar, üç fazlı asenkron motorda kırık rotor çubuk arızasının düşük frekanslı yük momenti salınımından ayrıştırılması için geliştirilen algoritmaların uygulanabilirliğini ispatlamak için sunulmuştur.

Abstract:
The most common method for detecting broken rotor bar faults is to observe the corresponding fundamental sidebands harmonics through motor current signature analysis (MCSA). If a motor is subjected to low frequency load oscillation, then the oscillation related sidebands exhibit similar behaviors as broken rotor bar failure. In practice, the presence of load oscillation near to twice slip frequency has the same effect on a stator current of induction motor as a broken rotor bar fault. In such cases the stator current spectrum analysis can be misleading and therefore the detection of broken rotor bar failure becomes difficult.
In this thesis, three different methods are proposed to separate broken rotor bar failure from low frequency load torque oscillation in three-phase induction motor. To discern broken rotor bar fault and load torque oscillations, firstly, the Analytical Signal Angular Fluctuation (ASAF) method, which is a combination of Hilbert Transform (HT) and the Space Vector Angular Fluctuation (SVAF) method, is used. In this newly proposed method, space vector angular fluctuations are calculated by sampling the analytical signal obtained from Hilbert transform (HT) with a predefined sampling frequency. The separation process is achieved from obtained ASAF signal spectrum. Proposed ASAF method can be applied to either line fed or V/f scalar controller induction motors. 
Another method to separate broken rotor bar failure from low frequency load torque oscillation is to analyze torque and motor phase voltage waveforms for defined separation harmonics. In this method, induction motor should be star connected to measure the phase voltage accurately. In order to define and justify the separation harmonics, 2-D Time Stepping Finite Element Method (TSFEM) is used. 
Induction motor drivers are widely run in direct torque control (DTC) mode to control its torque and speed. However, discerning of broken rotor bar failure from low frequency load oscillation for DTC drives remains unexplored. In this thesis, finally, a separation method is proposed to discern broken rotor bar failures from low frequency load torque oscillation in (DTC) induction motor drives using fault indexes that are defined from stationary vqs voltage and iqs current components spectrums. 
Computer simulations and experimental results are presented to prove the proposed methods for separation broken rotor bar faults from load torque oscillation in three-phase induction motor.