FBE- Elektrik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Bayram, Duygu" ile FBE- Elektrik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeCondition Monitoring And Fault Detection For İnduction Motors By Spectral Trending And Stationary Wavelet Analysis(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015) Bayram, Duygu ; Şeker, Şahin Serhat ; 392973 ; Elektirik Mühendisliği ; Electrical EngineeringBu tez çalışmasında elektrik makinalarının durum izlemesi için spektral tabanlı basit ve kolay uygulanabilir bir trend yöntemi geliştirilmiştir. Durum izleme sonucunu takiben, motorun sağlık durumu göz önüne alınarak da Durağan Dalgacık Dönüşümünün artıklık özelliğini kullanan bir arıza tanısı yöntemi önerilmiştir. Bu anlamda çalışma, asenkron motorun titreşim sinyalleri kullanılarak gerçekleştirilen, bütünleşik bir durum izleme ve arıza tanısı algoritması olarak yorumlanabilir. Günümüz endüstriyel dünyası elektrik makinaları ve onların ileri kontrol stratejileri üzerine kurulmuştur. Asenkron motorlar, basit yapıları ve düşük bakım ihtiyaçları sebebiyle bu elektrik makinalarının en çok tercih edilenleridirler. Endüstriyel süreçlerin, son derece rekabetçi tabiatları gereği herhangi bir kesilme veya yavaşlamaya toleransları yoktur. Bu sebeple durum izleme ve performans değerlendirme hayati öneme sahiptir. Literatürde IEEE ve EPRI tarafından asenkron makina arızalarını konu alan iki adet büyük anket gerçekleştirilmiştir. Bu anketler sonucunda en büyük arıza kaynağı olarak %40 ile rulmanlar gösterilmiştir. Sargı arızaları %30 ile ikinci, rotorla ilgili arızalar ise %9 ile üçüncü sırada gelmektedir. Kalan yüzde ise stator çekirdek arızaları, sürtünme - vantilasyon arızaları ya da beklenmedik mil gerilimlerinin sebep olduğu arızalar arasında paylaşılmaktadır. Bütün bu arızaları tespit etmenin ilk adımı, sisteme uygun durum izleme yapmaktır. Böylece makine performansı yakından takip edilebilmekte ve gerekli önlemler alınabilmektedir. Durum izleme yöntemleri; elektriksel akım, akı ve güç, mekanik titreşim, sıcaklık, kimyasal aşınım, elektriksel boşalma izleme şeklinde sıralanabilmektedir. Durum izleme sonuçlarının değerlendirilmesi amacıyla bir arıza tespit ve tanı yöntemi kullanılmalıdır. Kullanılan yöntem model tabanlı, istatistiksel veri tabanlı ya da sinyal tabanlı olabilmektedir. Bu tez çalışmasında mekanik ve elektriksel hatalara ait göstergeleri taşıyabilme yetisinden ötürü titreşim sinyalleri kullanılmıştır. Arıza tanısı için ise sinyal tabanlı bir yöntem geliştirilmiş ve bu amaçla Durağan Dalgacık Analizi kullanılmıştır. Geleneksel durum izleme ve arıza tespiti yöntemleri, belirli arıza frekanslarını hesaplayıp, düzenli olarak bu frekansların genliklerini takip etmektedir. Ancak arızalar bir anda gelişen durumlar değildirler. Zaman içinde gelişir ve olgunlaşırlar, belirli bir eşik değerin üstüne çıkınca da görünür olurlar. Bu durum makinanın bütün olarak yaşlanmasına sebep olmaktadır. Bu kademeli artan yapısından ötürü yaşlanma trendlenebilir bir olgudur. Bu çalışma yaşlanmanın değerlendirilmesini, motorun durumunun anlık olarak sağlıklı veya değil şeklinde tanımlanmasını sağlamaktadır. Trend uygulamasına göre motorun sağlıklı olmadığı durumlar için arıza tespitinde kullanılabilecek birçok teknik vardır. Ancak motorun sağlıklı olduğu durumlar, motorda çok küçük arıza göstergelerinin olmadığı anlamına gelmez. Söz konusu küçük göstergeler zaman içinde büyüyüp etkilerini artırabilir ve motorda arızaya sebebiyet verebilirler. Bu ihtimal göz önünde bulundurularak, bu çalışmada durağan dalgacık dönüşümünün artıklı yapısından faydalanılmak suretiyle bir arıza tanısı yöntemi geliştirilmiştir. Bu bağlamda bu tez çalışması; sınıflandırma ve analiz olarak iki kısımdan oluşmaktadır. Sınıflandırma kısmında, motorun farklı durumlarına ait titreşim sinyallerinin güç spektrum yoğunlukları logaritmik olarak hesaplanmaktadır. Her spektruma birer lineer model uydurulmaktadır. Böylelikle motorun her durumunu temsil eden lineer eğriler, aslında motorun durum değerlendirmesi için tanımlanmış araçlar haline getirilmektedirler. Bu lineer modeller, ölçüm sınırı ile motorun farklı durumlarının değerlendirilebileceği bir konveks bölge oluşturmaktadırlar. Bu şekliyle yöntem geometrik bir yaklaşım halini almaktadır; söz konusu geometrik yaklaşım sayesinde yeni bir titreşim izleme stratejisi önerilmiştir. Bununla beraber motorun durumu hakkında kestirim yapmak amacıyla bir derecelendirme yaklaşımı tanımlanmıştır. Tez çalışmasının ikinci kısmında ise sağlıklı olarak sınıflanan motorlardaki çok küçük arıza belirtilerini görünür kılma amacıyla erken ve hassas bir arıza tespit ve tanı yöntemi önerilmiştir. Bu arıza tanı yöntemi yapısı itibariyle artıklı bir dönüşüm olan durağan dalgacık dönüşümü kullanılarak tanımlanmıştır. Durağan dalgacık dönüşümü sinyal ayrıştırma esnasında artıklı bileşenler oluşturur. Kusursuz sinyal geri yapılandırma algoritması için ise artıklıkları ortadan kaldıran filtrelere sahiptir. Bu tez çalışmasında bu filtrelerin çalışması engellenmiş ve ayrıştırma sayesinde kazanılan artıklı bilgi muhafaza edilmiştir. Bu artıklık, güç spektrumunda var olan ancak fark edilmeyecek kadar zayıf olan hataların kuvvetlendirilmesi sağlamaktadır. Çalışma, yapay olarak üretilmiş bir titreşim sinyali üzerinde geliştirilmiş sonrasında deneysel veriye uygulanmıştır. Deneysel veri, The University of Tennessee Knoxville (UTK)'den temin edilmiştir. Deney düzeneği, The University of Tennessee Maintenance and Reliability Centre tarafından tanımlanmış bir araştırma geliştirme projesi kapsamında oluşturulmuştur. Proje asenkron motorlarda arıza tespitine yönelik olarak tasarlanmış geniş bir çalışmadır. Bu amaçla 5HP, üç fazlı, dört kutuplu asenkron motorlar seçilmiştir. Deneyler kapsamında hızlandırılmış bir yaşlanma testine yer verilmiştir. Hızlandırılmış yaşlanma deneyi yedi aşamada motoru kullanım sınırlarının üstüne dayandırmış ve deney sonlandırılmıştır. Her yaşlandırma aşaması ikişer fazdan oluşur. Bunlardan ilki, motorlarda yaygın olarak karşılaşılan rulman arızasını yaratmayı hedef alan elektriksel boşalma fazıdır. Bu fazda motor miline dışardan bir kaynak bağlanır ve akım akıtılır. Söz konusu akım, rulmanlarda yorulmaya sebep olmaktadır ve rulman arızasını hızlıca gerçekleştirebilecek düzeydedir. İkinci yaşlandırma fazı ise kimyasal ve ısıl fazdır. Bu fazda motorun uzun vadede maruz kalacağı nem ve sıcaklık bol miktarda uygulanarak ısıl ve kimyasal yaşlandırma hedeflenmektedir. Bu tez çalışması 6 bölümden oluşmaktadır, bölümlerin içerikleri aşağıda kısa özetler halinde verilmiştir; Birinci bölümde öncelikle bu çalışmada asenkron motor tercih edilmesinin sebebi vurgulanmıştır. Sonrasında makinanın arıza durumları, durum izleme teknikleri ve arıza tanı yöntemleriyle ilgili geniş bir literatür özeti verilmiştir. Durağan dalgacık yöntemi tercih edilmesinin arkasındaki amacı ifade edebilmek için, sinyal tabanlı arıza tanı yöntemleri ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Bölümün sonunda bu tez çalışmasının arkasındaki motivasyon sunulmuş ve olası katkılar sıralanmıştır. İkinci bölüm, çalışmanın matematiksel arka planıdır. Öncelikle konveks bölge tanımı ve spektral trend yaklaşımı verilmiş, mühendislik alanlarındaki uygulamalarına değinilmiştir. Sonrasında dalgacık dönüşümü bütün tipleriyle birlikte tanıtılmış ve durağan dalgacık dönüşümü verilmiştir. Son olarak da artıklık kavramı sinyal geri yapılandırma algoritmalarına dayandırılarak anlatılmıştır. Çalışmanın üçüncü bölümünde, motorun yaşlanma mekanizması tasvir edilmiştir. Bu çalışmadaki deneyin odağında olan rulman yaşlanması ve ısıl yaşlanmadan bahsedilmiş, konuyla ilgili standartlar sunulmuştur. Sonrasında hızlandırılmış yaşlanma deneyi ayrıntılı olarak anlatılmış ve veri toplama sistemine ait detaylar verilmiştir. Son olarak da deney çıktısı olarak kullanılan yedi adet yaşlanma verisi zaman ve frekans tanım bölgesinde verilmiştir. Dördüncü bölümde, çalışmanın sınıflandırma kısmı olan spektral trend yaklaşımı anlatılmıştır. Logaritmik güç spektrumlarına birinci dereceden polinomlar uydurulmuştur. Bu eğrilerin oluşturduğu 2 boyutlu Euclid düzlemi tanımlanmış ve ölçüm sınırı ile bu düzlem üçgen bir konveks bölgeye dönüştürülmüştür. Bu geometrik yorumlamada ilk (en sağlıklı) ve son (en sağlıksız) durumlara ait ölçümlerden çıkan trendlerin eğimleri ters işaretlidir ve bir kesişim noktaları vardır. Olası bütün durumların bu üçgen içinde olması beklenmektedir. Bu sayede motorun farklı durumları birbirlerine göre karşılaştırabilir hale gelmiştir. Bu anlamda motorun sağlık durumu ölçülebilir bir büyüklük olmuştur. Aynı zamanda son derece karmaşık bir kavram olan ve modellenmesi zor olan yaşlanma; izlenebilir bir büyüklük haline dönüştürülmüştür. Beşinci bölüm ise zaten yaşlanmış olan motorların arıza tanılarının başka yöntemlerle yapılabileceği kabulü ile sağlıklı durumdaki motorun olası arızalarının tanısı üstünde çalışılmıştır. Bu amaçla durağan dalgacık dönüşümünün kusursuz sinyal geri yapılandırma sistemine müdahale edilmiş ve artıklık korunmuştur. Bu yöntem cebirsel toplama olarak adlandırılmıştır. Yöntem yapay veri üzerinde geliştirilmiş, deneysel veriye uygulanmıştır. Yapay veri üzerinde geliştirilmiş olmasının sebebi yapay verinin içeriğinin bilinir olması ve aranan frekans bileşenlerinin tespitiyle ilgili doğrulama sağlanabilir olmasıdır. Yöntem yapay sağlıklı durum verisinde çok yüksek başarı göstermiş, bu sebeple tezin sınıflandırma kısmında sağlıklı olarak değerlendirilen duruma uygulanmıştır. Uygulamanın sonucunda sinyalin güç spektrumunda görünmeyen bazı frekansların kuvvetlendiği görülmüştür. Bu frekans bileşenlerinin motor için hesaplanmış eksenel kaçıklık frekanslarına çok yakın oldukları saptanmıştır. Bu bağlamda yöntem erken ve hassas bir arıza tanısı yöntemi olarak değerlendirilebilir. İlaveten, cebirsel toplam yönteminin sinyalin spektral içeriğin değiştirmesi sebebiyle trendini de değiştirdiği fark edilmiştir. Bu durum, trendlerin alabilecekleri en yüksek ve en düşük eğimler hakkında yorum yapmaya olanak sağlamıştır. Bu sayede trendler için katastrofi sınırları belirlenmiştir. Tez çalışmasının sonuç kısmında, tüm bulgular ve yorumlar liste halinde verilmiş, bilimsel katkıların altı çizilmiştir. Bu bulgular ve katkılar kısaca aşağıda özetlenmiştir: Spektral trend yönteminde eğrinin eğimi basit bir durum belirteci olarak kullanılabilmektedir. Farklı motor durumları birbirlerine göre değerlendirilip, motorun sağlık durumunu bir metrikle ifade etmek mümkündür. Bu şekilde motorun yaşlılık durumu ölçülebilinir bir büyüklük olmaktadır. İlk ve son duruma ilişkin trendler kullanılarak, yaşlılık izlemesi yapılabilir bunun için tüm frekans bölgesini izlemeye gerek yoktur. İzlenmesi gereken frekans bölgesi, yöntem sayesinde 16.67 katı kadar küçülmektedir. Cebirsel toplama ile arıza tanısı yönteminde ise ayrıştırma sayısı yükseldikçe düşük frekans bölgesindeki artık bilgi yoğunluğunun arttığı gözlemlenmiştir. Bu durumdan ötürü yöntem bütün bilgisini düşük frekans bandında taşıyan sağlıklı durum verilerinde daha başarılıdır. Yöntem deney verisine uygulandığında eksenel kaçıklıkla ilgili frekansları kuvvetlendirdiği görülmektedir. Bu anlamda yöntem erken arıza tespiti ve tanı konusunda son derece başarılıdır. Cebirsel toplanmış sinyallerin trendleri göstermektedir ki metot yaşlanmayı yapay olarak artırmaktadır. Yöntemin bu özelliğinden yola çıkılarak motorun en yüksek oranda bozulabileceği limitler felsefi olarak belirlenmiştir. Bu bulgular ışında çalışma basit ve pratik bir yaşlanma belirteci sağlamış ve bu alanda daha önce uygulanmamış olan konveks bölge yaklaşımı ile durum izleme stratejisini değiştirmiştir. Motor sağlığını ölçülebilir bir kavrama dönüştürülmüştür. Durağan dalgacık dönüşümü temelli yeni bir arıza tanısı yöntemi önerilmiştir. Arıza tespiti, tanı ve durum izleme açısından bu katkılar son derece dikkat çekicidir. Katkıların yanı sıra bu tez çalışmasında önerilen yöntemler endüstriyel uygulamalarda kolaylıkla yer bulacak türdendir. Bakım mühendisliğine yeni bir bakış açısı getirecek kavramlar içermektedir. Daha geniş ölçekte, bu tez çalışmasında sunulan, hem trendlerin geometrik yorumlanması hem de artıklık temelli arıza tespiti, tanısı durum izleme ve diagnostik ile ilgilenen her mühendislik alanında uygulanmaya son derece elverişlidir.