وبلاگ

در این فصل كارهای مهم انجام گرفته در زمینه تشخیص آنلاین پایداری گذرا، تعیین معادل دینامیكی سیستم، استفاده از تئوری گراف در سیستمهای قدرت و جزیره‌سازی سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرد.
همچنین در فصل حاضر ضرورت انجام رساله حاضر، اهداف رساله و محدودیتها و مرزهای آن بررسی و معرفی خواهد گردید.
2-2- مطالعات انجام شده در تشخیص پایداری گذرا

تشخیص سریع، دقیق و آنلاین ناپایداری برای انجام برخی اعمال كنترل اضطراری ضروری می‌باشد. روشهای مرسوم در مقالات برای این كار عموما استفاده از اندازه‌گیرهای فازوری كلی و روشهای ابتكاری است. در [40] یك روش دقیق برای تشخیص آنلاین از دست رفتن سنكرونیزم بر اساس اندازه‌گیریهای ولتاژ و جریان در خطوط ارایه شده است. همچنین در [40] از تكنیك انرژی پتانسیل در خطوط استفاده كرده و شرایطی كه باعث ناپایداری سیستم می‌شوند از تحلیل تابع انرژی بدست آورده است. وقوع یك اغتشاش بزرگ در سیستم قدرت ممكن است باعث خروج كنترل‌نشده ژنراتورها و خروجهای متوالی و نهایتا فروپاشی گردد. چندین روش كنترلی جداگانه وجود دارد كه می‌تواند برای حفظ پایداری سیستم مورد استفاده قرار گیرد. برخی از این اعمال كنترلی اضطراری مانند خروج ژنراتورها و جداسازی كنترل‌شده سیستم در زمانهای خیلی ضروری مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این رو یك روش سریع و دقیق تشخیص بین نوسانات پایدار و ناپایدار ضروری می‌باشد. از جمله روشهای موجود برای این مورد می‌توان به استفاده از اندازه‌گیرهای فازوری گلوبال، روشهای ابتكاری، و روشهای هوشمندانه مانند درخت تصمیم‌گیری و استفاده از شبكه‌های عصبی را نام برد. در [44-41] انرژی پتانسیل موجود در ژنراتورها

 كه بوسیله یك مدل كلاسیك نمایش داده شده‌اند به صورت مجموع انرژیهای موجود در المانهای سری مانند خطوط انتقال، ترانسفورمرها و راكتانسهای ژنراتورها بیان گردیده است. در این مقاله نشان داده شده است كه تحت یك شرایط خاص این امكان وجود دارد كه انرژی پتانسیل را به صورت جمع انرژیهای موجود در خطوطی كه به یك كات‌ست تعلق دارند نوشت و انرژی جنبشی را به صورت تابعی از نرخ تغییرت زاویه فاز در دو طرف یك خط كه به یك كات‌ست تعلق دارد بدست آورد.

در [48-45] نویسنده‌گان مقاله توابع كنترلی مناسب را برای حذف نوسانات سیستم قدرت بر اساس توابع لیاپانف در حضور عناصر FACTS‌ برای شبكه قدرت ارایه كرده است. در این مقاله نویسندگان از مفهوم سیستم تك ماشینه معادل (OMIE) برای تعریف توابع لیاپانف استفاده كرده‌اند.
در مراجع [49] نویسندگان مقالات روش یادگیری آنلاین با استفاده از شبكه های عصبی را برای پیش‌بینی پایداری گذرای سیستم قدرت مورد استفاده قرار داده‌اند. در [50] یك روش جدید برای تشخیص آنلاین ناپایداری در شبكه قدرت ارایه گردیده است كه بر اساس اندازه‌گیری ولتاژ و جریان خط صورت می‌گیرد و شرط ناپایداری از توابع انرژی بدست می‌آید.
در [51] از روش تحلیل مجموعه‌های دستیافتنی (Reachable Set) و تحلیل مجموعه‌های همسطح برای تحلیل پایداری گذرای سیستم استفاده شده است. این روش بر اساس ایجاد یك معادله دیفرانسیل با مشتقات نسبی و تشكیل ماتریس (HJI) یك سیستم غیرخطی است. مجموعه‌های دست‌یافتنی بكوارد ناحیه پایدار نقطه تعادل را برای ارزیابی پایداری گذرا در اختیار ما قرار می‌دهد.

خرابیهای یك موتور قفس سنجابی را می توان به دو دسته الكتریكی و مكانیكی تقسیم ‌كرد.هر كدام از این خرابیها در اثر عوامل و تنش های متعددی ایجاد می گردند. این تنشها در حالت كلی بصورت حرارتی، مغناطیسی، دینامیكی، مكانیكی و یا محیطی می باشند كه در قسمت های مختلف ماشین مانند محور، بلبرینگ، سیم پیچی استاتور ، ورقه های هسته روتور واستاتور و قفسه روتور خرابی ایجاد می­كنند. اكثر این خرابیها در اثر عدم بكارگیری ماشین مناسب در شرایط كاری مورد نظر، عدم هماهنگی بین طراح و كاربر و استفاده نامناسب از ماشین پدید می­آید. در این قسمت سعی گردیده است ابتدا انواع تنشهای وارده بر ماشین، عوامل پدید آمدن و اثرات آنها بررسی گردد.
قبل از بررسی انواع تنشهای وارده بر ماشین القایی بایستی موارد زیر در نظر گرفته شود:
1- با مشخص كردن شرایط كار ماشین می توان تنشهای حرارتی، مكانیكی و دینامیكی را پیش بینی نمود و ماشین مناسب با آن شرایط را انتخاب كرد. به عنوان مثال ، سیكل كاری ماشین و نوع بار آن ، تعداد دفعات خاموش و روشن كردن و فاصله زمانی بین آنها ، از عواملی هستند كه تاثیر مستقیم در پدید آمدن تنشهای وارده بر ماشین خواهند داشت.
2- وضعیت شبكه تغذیه ماشین از لحاظ افت ولتاژ در حالت دائمی و شرایط راه اندازی و میزان هارمونیكهای شبكه هم در پدید آمدن نوع تنش و در نتیجه پدید آمدن خرابی در ماشین موثر خواهند بود.
2-1- بررسی انواع تنشهای وارد شونده بر ماشین القایی:
1-2-1- تنشهای موثر در خرابی استاتور:

الف ـ تنشهای گرمایی :این نوع از تنشها را می توان ناشی از عوامل زیر دانست:

– سیكل راه اندازی: افزایش حرارت در موتورهای القایی بیشتر هنگام راه اندازی و توقف ایجاد  می­شود. یك موتور در طول راه اندازی، پنج تا هشت برابر جریان نامی از شبكه جریان می كشد تا تحت شرایط بار كامل راه بیفتد. بنابراین اگر تعداد راه اندازی های یك موتور در پریود كوتاهی از زمان زیاد گردد دمای سیم پیچی به سرعت افزایش می یابد در حالی كه یك موتور القایی یك حد مجاز برای گرم شدن دارد و هرگاه این حد در نظر گرفته نشود آمادگی موتور برای بروز خطا افزایش می یابد. تنشهایی كه بر اثر توقف ناگهانی موتور بوجود می آیند به مراتب تاثیر گذارتر از بقیه تنشها هستند.
– اضافه بار گرمایی:  بر اثر تغییرات ولتاژ و همچنین ولتاژهای نامتعادل دمای سیم پیچی افزایش می یابد.
بنابر یك قاعده تجربی بازای هر  %2/1-3 ولتاژ فاز نامتعادل دمای سیم پیچی فاز با حداكثر جریان خود، 25% افزایش پیدا می كند.
– فرسودگی گرمایی: طبق قانون تجربی با ºc10 افزایش دمای سیم پیچی استاتور عمر عایقی آن نصف  می شود. بنابراین اثر معمولی فرسودگی گرمایی ، آسیب پذیری سیستم عایقی است. 
ب ـ تنشهای ناشی از كیفیت نامناسب محیط كار : عواملی كه باعث ایجاد این تنشهامی شود به صورت زیر است:
– رطوبت
– شیمیایی
– خراش ( سائیدگی)[1]
– ذرات کوچک خارجی
ج ـ تنشهای مكانیكی: عواملی كه باعث ایجاد این تنشها می شوند به صورت زیر می باشند:
– ضربات روتور: برخورد روتور به استاتور باعث می شود كه ورقه های استاتور عایق كلاف را از بین ببرد و اگر این تماس ادامه داشته باشد نتیجه این است كه كلاف در شیار استاتور خیلی زود زمین  می­شود و این به دلیل گرمای بیش از حد تولید شده در نقطه تماس می باشند.
– جابجایی كلاف: نیرویی كه بر كلافها وارد می شود ناشی از جریان سیم پیچی است كه این نیرو متناسب با مجذور جریان می باشد ( F∝ ). این نیرو هنگام راه اندازی ماكزیمم مقدار خودش را دارد و باعث ارتعاش كلافها با دو برابر فركانس شبكه و جابجایی آنها در هر دو جهت شعاعی و مماسی می­گردد.
Abrasion -1

موتورهای القایی به دلیل سادگی و استحکام ساختمان، ارزانی، محدوده وسیع سرعت و پاره‌ای مزایای دیگر  کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. به همین دلیل پایش وضعیت این نوع موتورها جهت شناسایی خطاها در مراحل اولیه پیدایش آن‌ها، به ویژه در توان‌های زیاد، اهمیت زیادی دارد. بنابراین تشخیص خطای اتصال حلقه در زمان‌های اولیه وقوع آن می‌تواند مزیت‌های زیر را در بر داشته باشد‌:
– جلوگیری از آسیب عمده به موتور و تعمیرات زمان‌بر و پر هزینه آن.
– جلوگیری از توقف غیر منتظره خط تولید.
– کاهش تلفات.
حصول مزیت‌های فوق مستلزم اطلاع به هنگام از شدت و موقعیت (فاز) خطای اتصال حلقه موتور است. این امر معمولا از طریق آشکارسازی بعضی آثار مترتب بر رفتار موتور در اثر بروز خطا میسر است. معایب موتورهای القایی را می‌توان به سه گروه اصلی‌: مکانیکی، روتور و استاتور تقسیم کرد. هر کدام از  این خطاها ریشه در عوامل متفاوتی دارند و آثار مختلفی بر عملکرد موتور می‌گذارند. حتی بعضی از خطاها ممکن است خود منشا بروز خطاهای دیگر شوند.
خطاهای مکانیکی عمدتاٌ از خطای یاتاقان‌ها (بلبرینگ‌ها) ناشی می‌شوند ]1و2 [. بعضی عوامل ایجاد خطای یاتاقان عبارتند از : روغن کاری نامناسب یا ناکافی، تنش‌های شعاعی و محوری سنگین بدلیل انحراف محور ومونتاژ، تنظیم یا فونداسیون ضعیف. این عوامل سبب تسریع در سایش و فرسایش یاتاقان ها می‌شوند. معمولا خطای یاتاقان‌ها بروز خطای نا هم‌محوری روتور و استاتور را نیز در پی دارند. تشدید خطای اخیر می‌تواند منجر به تماس سطوح روتور و استاتور شده و معایب روتور و استاتور را پدید آورد.
شکستن میله‌های روتور، شکستن حلقه انتهایی روتور و انواع نا هم‌محوری (استاتیکی، دینامیکی و مرکب) از جمله خطاهای روتور هستند ]3[. دلایل اصلی بروز این خطاها به شرح زیرند :
1. اضافه بار حرارتی که می‌تواند حین شتابگیری، کارکرد دایم و یا توقف روتور حاصل شود.
2. عدم تعادل حرارتی یا اختلاف دما در میله‌های روتور که از راه اندازی‌های مکرر، پدیده پوستی، انتقال حرارت غیر یکنواخت هسته و میله‌های روتور و بعضی عوامل دیگر ناشی می‌شود.
3. اثرات مغناطیسی که منجر به وارد شدن نیروهای الکترودینامیکی شعاعی بر میله‌ها می‌شوند. این نیروها که از تاثیر متقابل شار مغناطیسی و جریان میله‌ها حاصل می‌شوند، با مربع جریان میله‌ها متناسب بوده و سبب لرزش و خمش میله‌ها در امتداد شعاعی شده و سرانجام ممکن است منجر به شکستن میله‌های روتور شوند.
4. غیر یکنواختی ذاتی در امتداد طولی فاصله هوایی (نا هم‌محوری ذاتی) که از ایده‌آل نبودن فناوری ساخت و مونتاژ موتور ناشی می‌شود، باعث کشش مغناطیسی نامتقارن در سطوح مجاور روتور و استاتور می‌شود. زیرا روتور در سمتی که فاصله هوایی کوچکتر است تحت نیروهای کششی بزرگتری قرار می‌گیرد. این امر سبب خم شدن روتور، تشدید خطای نا هم‌محوری و در نهایت منجر به برخورد روتور با استاتور می‌شود. در نتیجه ممکن است به ساختار روتور و استاتور آسیب جدی وارد شود.
5. افزایش تنش‌های وارد بر میله‌های روتور در اثر اضافه بار دایم یا نوسانی در طول زمان می‌تواند منجر به شکستن میله‌های روتور شود.
6. افزایش نیروهای گریز از مرکز در اثر افزایش سرعت موتور به بیش از سرعت اسمی می‌تواند منجر به بروز تنش‌هایی در حلقه‌های انتهایی و شکستن اتصال بین میله‌های روتور و حلقه‌های انتهایی گردد.
استاتور موتورهای القایی نیز همانند بلبرینگ‌ها و روتور می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی دچار خطا شود]3[ . پنج نوع خطا برای سیم پیچ‌های استاتور گزارش شده‌اند که همه آنها ریشه در  خرابی  عایق سیم‌پیچ‌ها  دارند ]4[ این خطاها عبارتند از:
1- خطای حلقه به حلقه در یک کلاف که در آن دو نقطه از یک یا چند حلقه از یک کلاف به همدیگر اتصال پیدا می‌کنند (خطای اتصال حلقه).

2- خطای کلاف به کلاف در یک فاز که در آن یک نقطه از یک کلاف به یک نقطه از کلاف دیگر سیم‌پیچی همان فاز اتصال پیدا می‌کند.

3- خطای فاز به فاز که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز دیگر اتصال پیدا می‌کند.
4- خطای مدار باز که در آن به دلیل قطع شدگی سیم، یک فاز یا بخشی از یک فاز مدار باز می‌شود.
5- خطای کلاف به زمین که در آن نقطه‌ای از سیم‌پیچ یک فاز به زمین (بدنه) اتصال پیدا می‌کند.
شکل (1-1) انواع خطای سیم‌پیچ استاتور را نشان داده است. یک موتور معیوب ممکن است دارای ترکیبی از خطاهای سه گانه فوق باشد. به عنوان مثال، در یک موتور ممکن است محور موتور خمیدگی پیدا کند و این امر سبب ایجاد لرزش و آسیب در بلبرینگ‌ها شده، منجر به تماس روتور با استاتور ‌شود. با ادامه کارکرد موتور در این وضعیت گرمای بیش از حد تولید شده ممکن است میله‌های آلومینیمی روتور ذوب شوند. پخش شدن آلومینیم مذاب روی سیم‌پیچ استاتور خطای سیم‌پیچ را به دنبال می‌آورد.
حدود 75 درصد  از کل خرابی‌های موتورهای القایی قفس سنجابی مربوط به خطاهای استاتور و یاتاقان است خرابی بلبرینگ‌ها (خطاهای مکانیکی) 40 تا 50 درصد، خرابی عایق استاتور (خطای استاتور) 30 تا 40 درصد و خرابی قفسه روتور (خطای روتور) 5 تا 10 درصد گزارش شده است ]6[. اگر از پیشرفت خرابی های حلقه به حلقه جلوگیری نشود، موارد مذکور منجر به خطا فاز به زمین یا فاز به فاز می‌گردد، که البته خطا فاز به زمین محتمل‌تر است. نتایج مطالعات جامع‌تر که بر پایه یک روش آماری و برای موتورهایی با قدرت‌ها و سرعت‌های مختلف صورت گرفته نیز موید درصد‌های فوق الذکر است ]2و7و8[. بنابراین خطاهای سیم‌پیچ استاتور درصد قابل توجهی از کل معایب موتور القایی را به خود اختصاص می‌دهد. لذا این پایان‌نامه بر روی خطای سیم‌پیچ استاتور تمرکز دارد.
انواع خطای سیم‌پیچ استاتور معمولا با اتصال کوتاه چند حلقه مجاور سیم‌پیچ فاز (خطای اتصال حلقه) شروع می‌شود. به این ترتیب که جریان گردشی در حلقه‌های اتصال کوتاه موجب تولید گرما و افزایش دما در ناحیه معیوب سیم‌پیچ شده و با تخریب بیشتر عایق در آن محل، منجر به خطاهای شدیدتر یعنی خطای کلاف به کلاف، خطای فاز به فاز و یا خطای فاز به زمین می‌گردد. . اگرچه اطلاعات تجربی از فاصله زمانی بین وقوع خطای اتصال حلقه تا شکست عایقی و تشدید کامل خطا وجود ندارد، ولی قدر مسلم آنست که این فرایند آنی و لحظه‌ای نیست و سرعت آن به شدت خطا، یعنی تعداد حلقه‌های اتصال کوتاه شده، وابسته است.
برای آشکارسازی خطای اتصال حلقه تاکنون شاخص‌های متعددی معرفی شده و روش‌های مختلفی هم برای اندازه گیری آن‌ها و نتیجه‌گیری در خصوص وقوع خطا ارائه شده است که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
2-1- عوامل پدید آورنده خطاهای سیم‌پیچ:
همه انواع خطای سیم‌پیچ استاتور ریشه در خرابی عایق سیم‌پیچ دارند. تنش‌های مختلفی در ساختار موتور و به ویژه استاتور ممکن است منجر به خرابی عایق سیم‌پیچ و بروز خطا شوند. این تنش‌ها در قالب  تنش‌های حرارتی، الکتریکی، مکانیکی و محیطی قابل دسته‌بندی هستند ]3و4[:
1-2-1- تنش های حرارتی
تنش‌های حرارتی بر اثر افزایش دمای سیم‌پیچ ها بوجود آمده و سبب کاهش طول عمر یا تخریب عایق سیم‌پیچ‌ها می‌شوند. آزمایش‌های استاندارد نشان می‌دهند که به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای سیم‌پیچ از حداکثر مقدار مجاز، طول عمر عایق آن به نصف تقلیل می‌یابد]4[. عوامل افزایش ایجاد تنش حرارتی عبارتند از:
– اضافه ولتاژ : افزایش دامنه ولتاژ موجب افزایش دامنه شار ماشین، افزایش تلفات هسته، افزایش دما و ایجاد تنش حرارتی می‌شود.
– عدم تعادل ولتاژهای سه فاز : درصد اندکی عدم تعادلی در ولتاژهای سه فاز، موجب افزایش قابل توجه دامنه جریان سیم‌پیچ فازها شده و افزایش تلفات مسی ناشی از آن، افزایش دمای شدیدی را در سیم‌پیچ‌ها پدید می‌آورد. برای مثال فقط 5/3 درصد عدم تعادلی ولتاژها سبب 25 درصد افزایش دما در سیم‌پیچ‌ها خواهد شد]4[ .
– توقف و راه اندازی‌های مکرر : در حین راه اندازی، جریان موتور بین 5 تا 8 برابر جریان بار کامل است. بنابراین در زمان راه اندازی تلفات اهمی قابل توجهی در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود. حال اگر یک موتور در فواصل زمانی کوتاه بطور متناوب در معرض راه اندازی‌های مکرر قرار گیرد، تجمیع حرارت ناشی از افزایش تلفات اهمی موجب افزایش دمای سیم‌پیچ و بروز تنش حرارتی خواهد شد. 
– اضافه بار : دمای سیم پیچ بطور تقریب متناسب با توان دوم بار موتور است. به عبارت دیگر دمای سیم‌پیچ با مربع افزایش گشتاور صعود می‌کند. بعنوان مثال اگر در دمای محیط 40 درجه سانتیگراد یک موتور 100 اسب بخار در دمای 64 درجه سانتیگراد کار کند، با 15 درصد افزایش بار دمای آن به 85 درجه سانتیگراد خواهد رسید. بنابراین طول عمر موتور از 1000000 ساعت مفروض به 1147000 ساعت کاهش خواهد یافت ]4[.
– دمای محیط : موتورهای استاندارد معمولا برای کار در حداکثر دمای محیط معین (معمولا 40 درجه سانتیگراد) طراحی می‌شوند.  هر دمای محیطی فراتر از این مقدار، افزایش مشابهی را در دمای کار موتور پدید آورده باعث بروز تنش حرارتی می‌گردد.
2-2-1- تنش های الکتریکی
تنش‌های ولتاژ الکتریکی سبب تخریب موضعی عایق الکتریکی و یا کاهش عمر عایق و در نهایت بروز خطاهای سیم‌پیچ از نوع اتصال کوتاه می‌شوند. بنابراین رابطه مستقیمی بین عمر عایق و تنش‌های ولتاژ اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها وجود دارد ]9[. انواع تنش‌های الکتریکی موثر در این زمینه عبارتند از:
– پدیده تخریب عایق : در صورتی که در موتورهای با ولتاژ بیش از 600 ولت سیستم الکتریکی موتور از محیط بیرون ایزوله نشده باشد، این پدیده رخ می‌دهد. فرآیند این نوع تخریب عایق بدین ترتیب است که ابتدا حفره‌های کوچک با جریان نشتی بین مس سیم و محیط آزاد ایجاد می‌شود که کاهش امپدانس بین سیم و زمین در اثر ترکیب رطوبت و مواد خارجی را به دنبال دارد. سپس با تخلیه الکتریکی جزیی به زمین و به وجود آمدن نقاط سوخته ریز در سیستم عایق الکتریکی فرآیند تخریب عایق کامل می‌شود.
– اضافه ولتاژهای لحظه‌ای : خطاهای اتصال کوتاه در سیم‌پیچ موتور می‌تواند در اثر اضافه ولتاژهای لحظه‌ای اعمال شده به سیم‌پیچ‌ها رخ دهد. منشا اینگونه اضافه ولتاژها عبارتند از ]9[:
1- در فاز یا خط شبکه تغذیه گاهی اضافه ولتاژهایی تا 5/3 برابر ولتاژ اسمی با زمان خیزش بسیار کم به وجود می‌آیند. این اضافه ولتاژها در صورت رسیدن به سیم‌پیچ‌های موتور، به عایق آنها آسیب وارد می‌کنند.
2- اضافه ولتاژهای ناشی از محدود کننده‌های جریان : زمانی که محدود کننده جریان، مثل (فیوز)، در لحظه‌ای که انرژی در میدان مغناطیسی سیم‌پیچ‌ها ذخیره شده عمل می‌کند، سبب ایجاد نوسان یا تشدید ولتاژ می‌شود. این امر با اضافه ولتاژهای لحظه‌ای همراه است و سبب آسیب به عایق سیم‌پیچ می‌شود.
3- اضافه ولتاژهای ناشی از عملکرد در درایوهای فرکانس متغیر و در لحظات راه اندازی، توقف و نیز در تغییر سیکل‌های کاری امکان وقوع دارند. این اضافه ولتاژها با دامنه 2 تا 5 برابر ولتاژ اسمی و زمان خیزش از 1/0 تا میلی ثانیه می‌توانند به وجود آیند و تهدیدی برای عایق سیم‌پیچ‌ها به حساب می‌آیند.