Asenkron motorlar, düşük maliyetleri, uygun boyutları ve çok fazla bakım gerektirmemeleri gibi özellikleri sayesinde en çok tercih edilen elektrik motorlarıdır. Hayatın olağan bir şekilde devam etmesinde önemli bir rolü olan elektrik makinelerinin arızalanması durumu da bu sebeple çok fazla araştırmaya konu olmuştur. Eksen kaçıklığı bu çalışmaların büyük bir kısmını oluşturmaktadır.
Eksen kaçıklığı, stator ve rotor arasındaki hava aralığının homojen bir şekilde dağılmadığı durumdur. Makalede, sağlıklı ve asimetrik çalışma durumlarının karşılaştırılması amacıyla, hem sağlıklı hem de farklı mertebelerde eksen kaçıklığı barındıran modeller kurulmuş ve sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile analizler yapılmıştır.
Aynı zamanda, modelleme esnasında parametreleri kullanılan motor için, sağlıklı durum ve asimetrik çalışma durumları deneysel açıdan incelenmiştir. Eksen kaçıklığı hatası kapsamında, hava aralığı manyetik akı yoğunluğu, akım, moment gibi parametrelerin yanı sıra titreşim ve gürültü gibi mekanik parametrelerin nasıl yorumlanması gerektiği konusu incelenmiştir.
Böylece eksen kaçıklığının tanısı amacıyla hangi parametrelerin izlenmesi gerektiği benzetim ve deney sonuçları ışığında araştırılmıştır.
1. Giriş
Şekil 1: Asenkron motor arıza kaynaklarının araştırma sonuçlarına göre oranları.
Elektrik makineleri, gerek sanayide gerekse günlük hayatımızdaki birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Özellikle asenkron motorlar, elektrik makinesi kullanımının büyük bir oranında tercih edilen motor tipidir. Bu sebeple bu motorların arıza durumları da birçok çalışmaya konu olmuştur.
Eksen kaçıklığı ve sebep olduğu dengesiz manyetik çekme kuvvetine dair 20. yüzyılın ilk çeyreğinden bu yana farklı çalışmalar yapılmıştır. Rosenberg, mıknatıslanma eğrilerini kullanarak, asimetrik hava aralığının sebep olduğu, akı dengesizliğini tespit etmeyi ve ölçmeyi amaçlayan çalışmasını 1918 yılında yapmıştır [1].
Daha sonra konu hakkındaki çoğu çalışma; hava aralığındaki manyetik alanın eksen kaçıklığının bir fonksiyonu olarak hesaplanması ve eksen kaçıklığına sebep olan başlıca etkenlerin tanımlanması üzerine olmuştur [2,3].
Görüldüğü gibi daha erken yıllarda, eksen kaçıklığı konusu, bu hataya sebep olan mekanik sebepler ve bu hata sonucunda ortaya çıkan manyetik ve mekanik sorunlar üzerine yapılan gerek test gerekse matematiksel analiz çalışmaları eşliğinde incelenmiştir.
Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalar ise, eksen kaçıklığı arızası sonucunda sistemin gerektiği gibi çalışamaması ya da daha ileriki safhalarda sistemin tamamen çalışamaz hale gelmesini engellemek amacıyla bu arızanın tanısı üzerine olmuştur.
Elektrik makinelerinde eksen kaçıklığı sebebiyle ortaya çıkabilecek hataların önceden tespiti için farklı tanı yöntemleri kullanılarak 1970li yıllardan itibaren birçok çalışma yapılmıştır. Ellison ve Yang, küçük ve orta ölçekli elektrik makinelerini kullanarak, farklı eksen kaçıklığı mertebeleri için gerekli ses ölçümlerini almışlardır. Eksen kaçıklığının gürültü üzerindeki etkilerini incelemiş ve eksen kaçıklığının mertebesi ile gürültü arasındaki doğru orantıyı tespit etmişlerdir [4].
Fakat bu tanı yöntemi, elektrik makinelerinin çalıştığı ortamlar düşünülecek olursa, test yapılan özel ortamlar dışında yeterince uygulamaya yönelik bir yöntem olarak kabul görmemiştir. Verma ve Natarajan ise eksen kaçıklığının tespiti amacıyla hava aralığındaki manyetik alanın değişimini görmek için araştırma bobini kullanmışlardır [5].
1955 yılında Summers, elektriksel ve mekanik dengesizliklerin sebep olduğu yüksek frekanslı harmoniklerin oluşturduğu titreşimler hakkında çalışmalar yapmıştır [6]. Ardından literatürde titreşimler yardımıyla eksen kaçıklığı hatasının tanısı üzerine de birçok çalışma yapılmıştır.
Şekil 2: Eksen kaçıklığı olan motor kesiti.
Gürültü ölçümleri, titreşim işaretleri ve araştırma bobini kullanımı ile eksen kaçıklığı hatası tanısının yapılmasının yanı sıra, elektromanyetik alan izleme, sıcaklık ölçümleri, kızılötesi tanıma, radyo frekansı (RF) salınımı gözlemi gibi yöntemler de, statik ve dinamik eksen kaçıklığı ve sebep olduğu UMP hatasının tanısı amacıyla literatürde yer bulmuşlardır. Ancak, titreşim ve akım işaretleri, bu hatanın tanısı amacıyla kullanılabilecek en uygun parametreler olarak seçilmiş ve uygulamalarda tercih edilmiştir.
Daha yakın geçmişte ise, konu üzerine yapılan çalışmaların çoğu, farklı özellikteki makineler için farklı sebeplerden ortaya çıkan, farklı mertebelerdeki dinamik ve statik eksen kaçıklığı hatalarının modellenmesi ve bu durum altındaki motor parametrelerinin incelenmesi üzerine olmuştur. Bu modellemeler de genellikle SEY tabanlı çalışan programlar eşliğinde yapılmaktadır [7,8].
Bu makale çalışmasında ise, asenkron motorun asimetrik olarak çalıştığı durumlar, bu duruma sebep olan elektriksel ve mekanik hatalar ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Daha sonra eksen kaçıklığı hatası, tipleri ve bu hatanın tanısı hakkında detaylı bir araştırma yapılmıştır.
2. Eksen Kaçıklığı
Eksen kaçıklığı ve bu durumun asenkron motor parametrelerine etkisinin ayrıntılı olarak incelenmesinden önce, asenkron motorlarda hangi arızaların meydana geldiği ve bu hataların ne şekilde ortaya çıktığı hakkında bilgi verilecektir. Asenkron motor arızaları; sargıların dengeli sarılmaması veya kısa devre olması, rulman arızaları, sürtünme, rotor dengesizliği, gevşeklik ve rotor çubuğunun kırılması gibi elektriksel ve mekanik kaynaklı olabilir. Bu arızalar, genel olarak aşağıda belirtildiği gibi 4 ana başlık altında sınıflandırılabilir:
Yataklama hatası ve eksen kaçıklığı
Stator kapsamlı hatalar
Rotor içerikli hatalar
Dış etkenli hatalar (motora bağlı elemanlardan kaynaklanan)
Asenkron motor arızalarının hangi sebepten ne sıklıkta yaşandığına dair farklı uygulama alanları için pek çok araştırma yapılmıştır. Sprooten tarafından bu araştırma sonuçlarının bir kısmının derlendiği Şekil 1de, asenkron motor arızalarına sebep olan durumların oranları karşılaştırılmıştır [9].
Araştırma sonuçlarından da açıkça görüldüğü gibi en sık karşılaşılan arızalar yataklama hatası ve eksen kaçıklığı kaynaklıdır.
Şekil 3: Hava aralığı ve rotor pozisyonu görünümü. a) Statik eksen b) Dinamik eksen c) Karma eksen kaçıklığı kaçıklığı kaçıklığı
Asenkron motorların elektromanyetik açıdan en üst düzey performansla çalışması için hava aralığı genişliğinin mekanik faktörler göz önünde bulundurularak olabildiğince küçük tasarlanması gerekmektedir. Bu uzunluk, genelde milimetre mertebelerinde olmaktadır.
Hava aralığının bu denli küçük mertebelerde üretilmesi dikkate alındığında, üretim aşamasında ya da işletmeye alınması esnasında meydana gelebilecek çok küçük bir kaymanın sebep olacağı mekanik ve manyetik sorunlar kaçınılmaz olacaktır. Bu doğrultuda, asenkron motor arızalarının önemli bir kısmının eksen kaçıklığı hatası ile bağlantılı olduğu gerçeği yadsınamaz.
Eksen kaçıklığı, hava aralığının stator ve rotor arasında her yerde eşit bir şekilde dağılmaması durumudur. Statik, dinamik ve bu 2 durumun bir arada bulunduğu karma eksen kaçıklığı olmak üzere 3 farklı şekilde ortaya çıkabilir.
Şekil 2de görüldüğü gibi, statorun birinci eksende, rotorun ise ikinci eksende döndüğü düşünülürse, sağlıklı bir motorda birinci ve ikinci eksen çakışık konumdadır. Statik eksen kaçıklığı (SEK), ikinci eksenin dönme ekseni olduğu durumda ortaya çıkacaktır. Birinci eksenin dönme ekseni olduğu durum ise dinamik eksen kaçıklığı (DEK) ortaya çıkacaktır. Statik ve dinamik eksen kaçıklığının bir arada bulunduğu karma eksen kaçıklığı ise dönme ekseninin birinci ve ikinci eksen arasında herhangi bir yerde olması durumunda söz konusu olacaktır [10].
Hava aralığı ve rotor pozisyonu, statik eksen kaçıklığında sabit olarak kalırken, dinamik eksen kaçıklığında; hava aralığının en küçük ve en büyük olduğu yerler, rotor pozisyonuna göre değişecektir. Karma eksen kaçıklığında ise bu duruma ek olarak, değişim, statorun bir tarafına daha yakın bir bölgede olacaktır. Hava aralığı ve rotor pozisyonlarının eksen kaçıklığı türüne göre değişimi Şekil 3te açıkça görülmektedir.
Eksen kaçıklığının asenkron motor üzerindeki etkileri diğer bölümlerde benzetim ve deney sonuçları yardımıyla ayrıntılı olarak incelenecektir. Bu etkiler, genel olarak; dengesiz hava aralığı gerilimi ve stator akımı, hava aralığı akı yoğunluğu harmonik bileşenlerin genliklerinde artış, moment darbelerinde artış, ortalama moment değerinde azalma, kayıpların artması sebebiyle verimde azalma, aşırı ısınma, gürültü seviyesinde artış şeklinde ifade edilebilir.
3. Eksen Kaçıklığının Modellenmesi
Şekil 4: Manyetik akı dağılımı (renk tayfı). (a) hava aralığı genişliğinin en küçük olduğu bölgeler (b) hava aralığı genişliğinin en büyük olduğu bölgeler
Asenkron motorlarda eksen kaçıklığının ayrıntılı olarak incelenmesi amacıyla SEY kullanılarak kararlı ve geçici hal analizleri yapılmıştır. Elektrik makinelerinin karmaşık yapıları ve kullanılan malzemelerin lineer olmayan karakteristikleri sebebiyle analitik çözüm yapabilmek zorlaşmaktadır.
Bu sebeple, zamana bağlı alanlar ve homojen olmayan, yönlü ve lineer olmayan malzemeler içeren, analitik yöntemlerin yetersiz kaldığı problemlerin çözümünde SEY tercih edilmektedir [11]. SEYde bir sistemin sonlu sayıdaki bilinmeyen büyüklüğünün sistemin bilinen büyüklükleri cinsinden bulunması yolu izlenir.
SEY ile hesaplanan değerler, motorun anma değerleri ile karşılaştırıldığında sonuçların %1in altında hata payı içerdikleri görülmüştür. Benzetim sonuçları ile anma değerleri karşılaştırılıp, uyumlu sonuçların elde edildiği görüldükten sonra, motor üzerindeki etkilerin görülmesi amacıyla öncelikle sağlıklı motor için gerekli benzetim sonuçları elde edilmiştir.
Sağlıklı durum için motor karakteristikleri elde edildikten sonra, asimetrik durumda bu parametrelerin nasıl değiştiğini gözlemleyebilmek amacıyla, sırasıyla statik, dinamik ve karma eksen kaçıklığı durumları göz önünde bulundurularak, hava aralığı akı yoğunluğu, akım ve moment parametreleri incelenmiştir.
Hava aralığı sağlıklı durumun aksine homojen yapısını kaybetmiştir. Şekil 4te görüldüğü gibi hava aralığı genişliğinin küçüldüğü yerlerde manyetik akı yoğunluğu artmakta, genişliğin büyüdüğü yerlerde ise manyetik akı yoğunluğu azalmaktadır.
Eksen kaçıklığının mertebesinin artması ile manyetik akı yoğunluğunun dağılımındaki bozulma da artmaktadır. Böylece motor da sürekli dengesiz manyetik çekmeler meydana gelecek ve asimetrik durum çekme kuvvetinin yönünde artış gösterecektir.
Eksen kaçıklığı artıkça motorun şebekeden çektiği akımın ortalama değeri de artmaktadır. Böylece kayıplar artacak ve verim de düşecektir. Eksen kaçıklığı tipi ve mertebesine göre motorun şebekeden çektiği akım değerleri ve sağlıklı duruma göre hata mertebeleri Tablo 1de gösterilmektedir.
Tablo 1: Sağlıklı ve Asimetrik Çalışma Durumlarında Ortalama Akım Değerleri
Ayrıca, asimetrik çalışma durumunun artmasıyla moment karakteristiklerindeki tepe değerlerinin ve dalgalılığın arttığı görülmüştür.
Ortalama moment değeri çok küçük mertebelerde değişmesine rağmen dalgalılık Şekil 5te görüldüğü gibi dikkate değer bir şekilde artmaktadır. Statik eksen kaçıklığında %1 mertebelerindeki değişim karma eksen kaçıklığında %14lere kadar varmaktadır.
4. Test Sonuçları
Asimetrik çalışma durumunu deney sonuçları eşliğinde incelemek amacıyla, benzetimi yapılan motorda, eksen kaçıklığı meydana getirilerek farklı testler yapılmıştır. Seri üretimde olan motorun öncelikle sağlıklı durum için testleri yapılmış, ardından da 3 farklı kademede asimetrik çalışma durumu test edilmiştir.
Yapılan testler sonucunda, Tablo 2de görülen gürültü ve titreşim ölçümleri elde edilmiştir. Böylelikle sağlıklı durum ve eksen kaçıklığı barındıran durum, benzetim sonuçlarında elde edilen, hava aralığı akısı, akım ve moment gibi parametrelerin yanı sıra, titreşim ve gürültü açısından da karşılaştırılmıştır.
Şekil 5: Sağlıklı ve asimetrik çalışma durumları için moment karakteristikleri ve detay görünümleri.
Test sonucu elde edilen titreşim ve gürültü verileri eşliğinde mevcut olan eksen kaçıklığı hatasının gürültü değerleri ışığında tespit edilemediği fakat titreşim değerlerinin % 8,5 mertebesinde artış gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca, asimetrik çalışma durumunda yüksek frekanslı bileşenler için titreşim değerlerinin artış gösterdiği sonucu ortaya çıkmıştır.
5. Sonuçlar
Tablo 2: Test Sonucunda Elde Edilen Titreşim ve Gürültü Değerleri
Bu çalışmada eksen kaçıklığı bulunan asenkron motor, benzetim sonuçları ve deney sonuçları yardımıyla incelenmiştir. Eksen kaçıklığının farklı tipleri olan statik, dinamik ve bu iki durumu bir arada ihtiva eden karma eksen kaçıklığı hataları farklı mertebelerde modellenmiştir.
Sağlıklı durum, statik, dinamik ve karma eksen kaçıklığı durumları karşılaştırılmış ve hatanın farklı boyutlarında motor parametrelerindeki değişim gözlenmiştir.
Ayrıca benzetim için kullanılan motora dair sağlıklı durum ve asimetrik çalışma durumu için deney sonuçları elde edilmiş ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Benzetim sonuçlarıyla elde edilen, manyetik ve elektriksel parametrelerin yanı sıra, deney sonuçlarıyla titreşim ve gürültü gibi mekanik parametrelerde elde edilmiştir. Böylece eksen kaçıklığı hatasının etkileri, manyetik, elektriksel ve mekanik yönlerden incelenmiştir.
Elde edilen benzetim ve test sonuçları ışığında, eksen kaçıklığı hatasının analizi yapılmıştır. Böylece bu hatanın tanısı amaçlı izlenilebilecek parametreler belirlenmiştir.
Hava aralığı akı yoğunluğu, akım, moment ve titreşim gibi manyetik, elektriksel ve mekanik büyüklükler farklı yöntemlerle izlenerek eksen kaçıklığı hatasının tespitinin yapılabileceği ve daha büyük boyutlarda arızalar meydana gelmeden müdahale imkanı geliştirilebileceği gösterilmiştir.
Referanslar
[1] Rosenberg E. (1918). Magnetic Pull in Electric Machines, AIEE, 1425 1469.
[2] Von Kaehne P. (1963). Unbalanced Magnetic Pull in Electrical Machines, ERA Report, Z/T142.
[3] Bradford M. ve Greenslade J. A. (1971). Discussion on Effects of Rotor Eccentricity on Acoustic Noise from Induction Machines and Natural Frequencies of Stators of Small Electric Machines, Proc. IEE, Vol. 118, No. 7, 899900.
[4] Ellison, A.J. ve Yang, S.J. (1971). Effects of Rotor Eccentricity on Acoustic Noise from Induction Machines, Proc. IEE, Vol. 118, No. 1, 174-184.
[5] Verma, S.P. ve Natarajan, R. (1982). Effects of Eccentricity in Induction Motors, Proceedings of International Conference on Electrical Machines, Vol. 3, 930-933.
[6] Summers E. W. (1955). Vibration in 2-Pole Induction Motors Related to Slip Frequency, AIEE Rotating Machinery Committee, 6972.
[7] Cameron J. R., Thomson W. T. ve Dow A. B. (1986). Vibration and Current Monitoring for Detecting Airgap Eccentricity in Large Induction Motors, IEE Proceedings, Vol. 133, No. 3, 155163.
[8] Toliyat H. A., Arefeen M.S. ve Parlos A.G. (1996). A Method for Dynamic Simulation of Airgap Eccentricity in Induction Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No.4, 910918.
[9] Sprooten J. (2007). Finite Element and Electrical Circuit Modeling of Faulty Induction Machines Study of Internal Effects and Fault Detection Techniques, University Libre de Bruxelles, Department of Bio, Electro and Mechanical Systems, Belgium, (Doktora Tezi).
[10] Nandi S., Ilamparithi T.C., Lee S.B. ve Hyun D. (2011). Detection of Eccentricity Faults in Induction Machines Based on Nameplate Parameters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No.5, 16731683.
[11] Bianchi N. (2005). Electrical Machine Analysis Using Finite Elements, CRC Press, Taylor & Francis Group, USA.
Eksen kaçıklığı, stator ve rotor arasındaki hava aralığının homojen bir şekilde dağılmadığı durumdur. Makalede, sağlıklı ve asimetrik çalışma durumlarının karşılaştırılması amacıyla, hem sağlıklı hem de farklı mertebelerde eksen kaçıklığı barındıran modeller kurulmuş ve sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile analizler yapılmıştır.
Aynı zamanda, modelleme esnasında parametreleri kullanılan motor için, sağlıklı durum ve asimetrik çalışma durumları deneysel açıdan incelenmiştir. Eksen kaçıklığı hatası kapsamında, hava aralığı manyetik akı yoğunluğu, akım, moment gibi parametrelerin yanı sıra titreşim ve gürültü gibi mekanik parametrelerin nasıl yorumlanması gerektiği konusu incelenmiştir.
Böylece eksen kaçıklığının tanısı amacıyla hangi parametrelerin izlenmesi gerektiği benzetim ve deney sonuçları ışığında araştırılmıştır.
1. Giriş
Şekil 1: Asenkron motor arıza kaynaklarının araştırma sonuçlarına göre oranları.
Elektrik makineleri, gerek sanayide gerekse günlük hayatımızdaki birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Özellikle asenkron motorlar, elektrik makinesi kullanımının büyük bir oranında tercih edilen motor tipidir. Bu sebeple bu motorların arıza durumları da birçok çalışmaya konu olmuştur.
Eksen kaçıklığı ve sebep olduğu dengesiz manyetik çekme kuvvetine dair 20. yüzyılın ilk çeyreğinden bu yana farklı çalışmalar yapılmıştır. Rosenberg, mıknatıslanma eğrilerini kullanarak, asimetrik hava aralığının sebep olduğu, akı dengesizliğini tespit etmeyi ve ölçmeyi amaçlayan çalışmasını 1918 yılında yapmıştır [1].
Daha sonra konu hakkındaki çoğu çalışma; hava aralığındaki manyetik alanın eksen kaçıklığının bir fonksiyonu olarak hesaplanması ve eksen kaçıklığına sebep olan başlıca etkenlerin tanımlanması üzerine olmuştur [2,3].
Görüldüğü gibi daha erken yıllarda, eksen kaçıklığı konusu, bu hataya sebep olan mekanik sebepler ve bu hata sonucunda ortaya çıkan manyetik ve mekanik sorunlar üzerine yapılan gerek test gerekse matematiksel analiz çalışmaları eşliğinde incelenmiştir.
Daha sonraki yıllarda yapılan çalışmalar ise, eksen kaçıklığı arızası sonucunda sistemin gerektiği gibi çalışamaması ya da daha ileriki safhalarda sistemin tamamen çalışamaz hale gelmesini engellemek amacıyla bu arızanın tanısı üzerine olmuştur.
Elektrik makinelerinde eksen kaçıklığı sebebiyle ortaya çıkabilecek hataların önceden tespiti için farklı tanı yöntemleri kullanılarak 1970li yıllardan itibaren birçok çalışma yapılmıştır. Ellison ve Yang, küçük ve orta ölçekli elektrik makinelerini kullanarak, farklı eksen kaçıklığı mertebeleri için gerekli ses ölçümlerini almışlardır. Eksen kaçıklığının gürültü üzerindeki etkilerini incelemiş ve eksen kaçıklığının mertebesi ile gürültü arasındaki doğru orantıyı tespit etmişlerdir [4].
Fakat bu tanı yöntemi, elektrik makinelerinin çalıştığı ortamlar düşünülecek olursa, test yapılan özel ortamlar dışında yeterince uygulamaya yönelik bir yöntem olarak kabul görmemiştir. Verma ve Natarajan ise eksen kaçıklığının tespiti amacıyla hava aralığındaki manyetik alanın değişimini görmek için araştırma bobini kullanmışlardır [5].
1955 yılında Summers, elektriksel ve mekanik dengesizliklerin sebep olduğu yüksek frekanslı harmoniklerin oluşturduğu titreşimler hakkında çalışmalar yapmıştır [6]. Ardından literatürde titreşimler yardımıyla eksen kaçıklığı hatasının tanısı üzerine de birçok çalışma yapılmıştır.
Şekil 2: Eksen kaçıklığı olan motor kesiti.
Gürültü ölçümleri, titreşim işaretleri ve araştırma bobini kullanımı ile eksen kaçıklığı hatası tanısının yapılmasının yanı sıra, elektromanyetik alan izleme, sıcaklık ölçümleri, kızılötesi tanıma, radyo frekansı (RF) salınımı gözlemi gibi yöntemler de, statik ve dinamik eksen kaçıklığı ve sebep olduğu UMP hatasının tanısı amacıyla literatürde yer bulmuşlardır. Ancak, titreşim ve akım işaretleri, bu hatanın tanısı amacıyla kullanılabilecek en uygun parametreler olarak seçilmiş ve uygulamalarda tercih edilmiştir.
Daha yakın geçmişte ise, konu üzerine yapılan çalışmaların çoğu, farklı özellikteki makineler için farklı sebeplerden ortaya çıkan, farklı mertebelerdeki dinamik ve statik eksen kaçıklığı hatalarının modellenmesi ve bu durum altındaki motor parametrelerinin incelenmesi üzerine olmuştur. Bu modellemeler de genellikle SEY tabanlı çalışan programlar eşliğinde yapılmaktadır [7,8].
Bu makale çalışmasında ise, asenkron motorun asimetrik olarak çalıştığı durumlar, bu duruma sebep olan elektriksel ve mekanik hatalar ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Daha sonra eksen kaçıklığı hatası, tipleri ve bu hatanın tanısı hakkında detaylı bir araştırma yapılmıştır.
2. Eksen Kaçıklığı
Eksen kaçıklığı ve bu durumun asenkron motor parametrelerine etkisinin ayrıntılı olarak incelenmesinden önce, asenkron motorlarda hangi arızaların meydana geldiği ve bu hataların ne şekilde ortaya çıktığı hakkında bilgi verilecektir. Asenkron motor arızaları; sargıların dengeli sarılmaması veya kısa devre olması, rulman arızaları, sürtünme, rotor dengesizliği, gevşeklik ve rotor çubuğunun kırılması gibi elektriksel ve mekanik kaynaklı olabilir. Bu arızalar, genel olarak aşağıda belirtildiği gibi 4 ana başlık altında sınıflandırılabilir:
Yataklama hatası ve eksen kaçıklığı
Stator kapsamlı hatalar
Rotor içerikli hatalar
Dış etkenli hatalar (motora bağlı elemanlardan kaynaklanan)
Asenkron motor arızalarının hangi sebepten ne sıklıkta yaşandığına dair farklı uygulama alanları için pek çok araştırma yapılmıştır. Sprooten tarafından bu araştırma sonuçlarının bir kısmının derlendiği Şekil 1de, asenkron motor arızalarına sebep olan durumların oranları karşılaştırılmıştır [9].
Araştırma sonuçlarından da açıkça görüldüğü gibi en sık karşılaşılan arızalar yataklama hatası ve eksen kaçıklığı kaynaklıdır.
Şekil 3: Hava aralığı ve rotor pozisyonu görünümü. a) Statik eksen b) Dinamik eksen c) Karma eksen kaçıklığı kaçıklığı kaçıklığı
Asenkron motorların elektromanyetik açıdan en üst düzey performansla çalışması için hava aralığı genişliğinin mekanik faktörler göz önünde bulundurularak olabildiğince küçük tasarlanması gerekmektedir. Bu uzunluk, genelde milimetre mertebelerinde olmaktadır.
Hava aralığının bu denli küçük mertebelerde üretilmesi dikkate alındığında, üretim aşamasında ya da işletmeye alınması esnasında meydana gelebilecek çok küçük bir kaymanın sebep olacağı mekanik ve manyetik sorunlar kaçınılmaz olacaktır. Bu doğrultuda, asenkron motor arızalarının önemli bir kısmının eksen kaçıklığı hatası ile bağlantılı olduğu gerçeği yadsınamaz.
Eksen kaçıklığı, hava aralığının stator ve rotor arasında her yerde eşit bir şekilde dağılmaması durumudur. Statik, dinamik ve bu 2 durumun bir arada bulunduğu karma eksen kaçıklığı olmak üzere 3 farklı şekilde ortaya çıkabilir.
Şekil 2de görüldüğü gibi, statorun birinci eksende, rotorun ise ikinci eksende döndüğü düşünülürse, sağlıklı bir motorda birinci ve ikinci eksen çakışık konumdadır. Statik eksen kaçıklığı (SEK), ikinci eksenin dönme ekseni olduğu durumda ortaya çıkacaktır. Birinci eksenin dönme ekseni olduğu durum ise dinamik eksen kaçıklığı (DEK) ortaya çıkacaktır. Statik ve dinamik eksen kaçıklığının bir arada bulunduğu karma eksen kaçıklığı ise dönme ekseninin birinci ve ikinci eksen arasında herhangi bir yerde olması durumunda söz konusu olacaktır [10].
Hava aralığı ve rotor pozisyonu, statik eksen kaçıklığında sabit olarak kalırken, dinamik eksen kaçıklığında; hava aralığının en küçük ve en büyük olduğu yerler, rotor pozisyonuna göre değişecektir. Karma eksen kaçıklığında ise bu duruma ek olarak, değişim, statorun bir tarafına daha yakın bir bölgede olacaktır. Hava aralığı ve rotor pozisyonlarının eksen kaçıklığı türüne göre değişimi Şekil 3te açıkça görülmektedir.
Eksen kaçıklığının asenkron motor üzerindeki etkileri diğer bölümlerde benzetim ve deney sonuçları yardımıyla ayrıntılı olarak incelenecektir. Bu etkiler, genel olarak; dengesiz hava aralığı gerilimi ve stator akımı, hava aralığı akı yoğunluğu harmonik bileşenlerin genliklerinde artış, moment darbelerinde artış, ortalama moment değerinde azalma, kayıpların artması sebebiyle verimde azalma, aşırı ısınma, gürültü seviyesinde artış şeklinde ifade edilebilir.
3. Eksen Kaçıklığının Modellenmesi
Şekil 4: Manyetik akı dağılımı (renk tayfı). (a) hava aralığı genişliğinin en küçük olduğu bölgeler (b) hava aralığı genişliğinin en büyük olduğu bölgeler
Asenkron motorlarda eksen kaçıklığının ayrıntılı olarak incelenmesi amacıyla SEY kullanılarak kararlı ve geçici hal analizleri yapılmıştır. Elektrik makinelerinin karmaşık yapıları ve kullanılan malzemelerin lineer olmayan karakteristikleri sebebiyle analitik çözüm yapabilmek zorlaşmaktadır.
Bu sebeple, zamana bağlı alanlar ve homojen olmayan, yönlü ve lineer olmayan malzemeler içeren, analitik yöntemlerin yetersiz kaldığı problemlerin çözümünde SEY tercih edilmektedir [11]. SEYde bir sistemin sonlu sayıdaki bilinmeyen büyüklüğünün sistemin bilinen büyüklükleri cinsinden bulunması yolu izlenir.
SEY ile hesaplanan değerler, motorun anma değerleri ile karşılaştırıldığında sonuçların %1in altında hata payı içerdikleri görülmüştür. Benzetim sonuçları ile anma değerleri karşılaştırılıp, uyumlu sonuçların elde edildiği görüldükten sonra, motor üzerindeki etkilerin görülmesi amacıyla öncelikle sağlıklı motor için gerekli benzetim sonuçları elde edilmiştir.
Sağlıklı durum için motor karakteristikleri elde edildikten sonra, asimetrik durumda bu parametrelerin nasıl değiştiğini gözlemleyebilmek amacıyla, sırasıyla statik, dinamik ve karma eksen kaçıklığı durumları göz önünde bulundurularak, hava aralığı akı yoğunluğu, akım ve moment parametreleri incelenmiştir.
Hava aralığı sağlıklı durumun aksine homojen yapısını kaybetmiştir. Şekil 4te görüldüğü gibi hava aralığı genişliğinin küçüldüğü yerlerde manyetik akı yoğunluğu artmakta, genişliğin büyüdüğü yerlerde ise manyetik akı yoğunluğu azalmaktadır.
Eksen kaçıklığının mertebesinin artması ile manyetik akı yoğunluğunun dağılımındaki bozulma da artmaktadır. Böylece motor da sürekli dengesiz manyetik çekmeler meydana gelecek ve asimetrik durum çekme kuvvetinin yönünde artış gösterecektir.
Eksen kaçıklığı artıkça motorun şebekeden çektiği akımın ortalama değeri de artmaktadır. Böylece kayıplar artacak ve verim de düşecektir. Eksen kaçıklığı tipi ve mertebesine göre motorun şebekeden çektiği akım değerleri ve sağlıklı duruma göre hata mertebeleri Tablo 1de gösterilmektedir.
Tablo 1: Sağlıklı ve Asimetrik Çalışma Durumlarında Ortalama Akım Değerleri
Ayrıca, asimetrik çalışma durumunun artmasıyla moment karakteristiklerindeki tepe değerlerinin ve dalgalılığın arttığı görülmüştür.
Ortalama moment değeri çok küçük mertebelerde değişmesine rağmen dalgalılık Şekil 5te görüldüğü gibi dikkate değer bir şekilde artmaktadır. Statik eksen kaçıklığında %1 mertebelerindeki değişim karma eksen kaçıklığında %14lere kadar varmaktadır.
4. Test Sonuçları
Asimetrik çalışma durumunu deney sonuçları eşliğinde incelemek amacıyla, benzetimi yapılan motorda, eksen kaçıklığı meydana getirilerek farklı testler yapılmıştır. Seri üretimde olan motorun öncelikle sağlıklı durum için testleri yapılmış, ardından da 3 farklı kademede asimetrik çalışma durumu test edilmiştir.
Yapılan testler sonucunda, Tablo 2de görülen gürültü ve titreşim ölçümleri elde edilmiştir. Böylelikle sağlıklı durum ve eksen kaçıklığı barındıran durum, benzetim sonuçlarında elde edilen, hava aralığı akısı, akım ve moment gibi parametrelerin yanı sıra, titreşim ve gürültü açısından da karşılaştırılmıştır.
Şekil 5: Sağlıklı ve asimetrik çalışma durumları için moment karakteristikleri ve detay görünümleri.
Test sonucu elde edilen titreşim ve gürültü verileri eşliğinde mevcut olan eksen kaçıklığı hatasının gürültü değerleri ışığında tespit edilemediği fakat titreşim değerlerinin % 8,5 mertebesinde artış gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca, asimetrik çalışma durumunda yüksek frekanslı bileşenler için titreşim değerlerinin artış gösterdiği sonucu ortaya çıkmıştır.
5. Sonuçlar
Tablo 2: Test Sonucunda Elde Edilen Titreşim ve Gürültü Değerleri
Bu çalışmada eksen kaçıklığı bulunan asenkron motor, benzetim sonuçları ve deney sonuçları yardımıyla incelenmiştir. Eksen kaçıklığının farklı tipleri olan statik, dinamik ve bu iki durumu bir arada ihtiva eden karma eksen kaçıklığı hataları farklı mertebelerde modellenmiştir.
Sağlıklı durum, statik, dinamik ve karma eksen kaçıklığı durumları karşılaştırılmış ve hatanın farklı boyutlarında motor parametrelerindeki değişim gözlenmiştir.
Ayrıca benzetim için kullanılan motora dair sağlıklı durum ve asimetrik çalışma durumu için deney sonuçları elde edilmiş ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Benzetim sonuçlarıyla elde edilen, manyetik ve elektriksel parametrelerin yanı sıra, deney sonuçlarıyla titreşim ve gürültü gibi mekanik parametrelerde elde edilmiştir. Böylece eksen kaçıklığı hatasının etkileri, manyetik, elektriksel ve mekanik yönlerden incelenmiştir.
Elde edilen benzetim ve test sonuçları ışığında, eksen kaçıklığı hatasının analizi yapılmıştır. Böylece bu hatanın tanısı amaçlı izlenilebilecek parametreler belirlenmiştir.
Hava aralığı akı yoğunluğu, akım, moment ve titreşim gibi manyetik, elektriksel ve mekanik büyüklükler farklı yöntemlerle izlenerek eksen kaçıklığı hatasının tespitinin yapılabileceği ve daha büyük boyutlarda arızalar meydana gelmeden müdahale imkanı geliştirilebileceği gösterilmiştir.
Referanslar
[1] Rosenberg E. (1918). Magnetic Pull in Electric Machines, AIEE, 1425 1469.
[2] Von Kaehne P. (1963). Unbalanced Magnetic Pull in Electrical Machines, ERA Report, Z/T142.
[3] Bradford M. ve Greenslade J. A. (1971). Discussion on Effects of Rotor Eccentricity on Acoustic Noise from Induction Machines and Natural Frequencies of Stators of Small Electric Machines, Proc. IEE, Vol. 118, No. 7, 899900.
[4] Ellison, A.J. ve Yang, S.J. (1971). Effects of Rotor Eccentricity on Acoustic Noise from Induction Machines, Proc. IEE, Vol. 118, No. 1, 174-184.
[5] Verma, S.P. ve Natarajan, R. (1982). Effects of Eccentricity in Induction Motors, Proceedings of International Conference on Electrical Machines, Vol. 3, 930-933.
[6] Summers E. W. (1955). Vibration in 2-Pole Induction Motors Related to Slip Frequency, AIEE Rotating Machinery Committee, 6972.
[7] Cameron J. R., Thomson W. T. ve Dow A. B. (1986). Vibration and Current Monitoring for Detecting Airgap Eccentricity in Large Induction Motors, IEE Proceedings, Vol. 133, No. 3, 155163.
[8] Toliyat H. A., Arefeen M.S. ve Parlos A.G. (1996). A Method for Dynamic Simulation of Airgap Eccentricity in Induction Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No.4, 910918.
[9] Sprooten J. (2007). Finite Element and Electrical Circuit Modeling of Faulty Induction Machines Study of Internal Effects and Fault Detection Techniques, University Libre de Bruxelles, Department of Bio, Electro and Mechanical Systems, Belgium, (Doktora Tezi).
[10] Nandi S., Ilamparithi T.C., Lee S.B. ve Hyun D. (2011). Detection of Eccentricity Faults in Induction Machines Based on Nameplate Parameters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No.5, 16731683.
[11] Bianchi N. (2005). Electrical Machine Analysis Using Finite Elements, CRC Press, Taylor & Francis Group, USA.
