This paper provides simulation evidence concerning some statistical properties of two different approaches to technical efficiency estimation for multiple-output production under noisy conditions: The Ray Frontier Approach (RFA) from Löthgren (1997) DEA+ proposed in Gstach (1996). RFA, unlike earlier approaches in the realm of stochastic frontier analysis, is capable of efficiency estimation in the case of multiple outputs as well and lends itself for comparison with DEA+. Several settings with varying sample sizes, noise to signal ratios and mean inefficiencies are investigated. (author's abstract) / Series: Department of Economics Working Paper Series

The EU has proposed an ambitious goal to achieve widespread E-mobility in both the electrical and commercial sectors. To accomplish this, a substantial number of DC fast-charging stations must be built. These power converters, installed in the DC fast-charging stations (DCFC), differ from traditional DCDC converters as they exhibit high power density, reaching tens of kilowatts. In contrast to traditional non-isolated power converters, isolated power converters offer ideal galvanic isolation, providing protection to both the local power grid and electric vehicles. Among the DC power converters designed for industrial applications, the LLC resonant converters and DAB converters (Dual Active Bridge) have gained significant popularity. When compared to LLC converters, DAB converters demonstrate a more flexible input and output power range, as well as a higher power density. Considering these advantages, a 10kW bidirectional DAB power converter has been designed for the purpose of fulfilling the requirements of this thesis project. The thesis is organized into four distinct parts. The first part focuses on conducting a comprehensive literature review to explore the challenges prevalent in the current electrical field. Various DC-DC topologies are compared based on different factors, including component analysis, controllability, safety considerations, and cost-effectiveness. By examining these aspects, potential solutions for Electric Vehicles (EVs) are identified. In the second part, a specific DC-DC converter with a power rating of 10kW is chosen, utilizing the DAB (Dual Active Bridge) topology. The selection is based on the analysis conducted in the literature review. The thesis delves into the issues and technical challenges associated with this choice, such as reactive power, peak current, zero-voltage switching (ZVS), and phase shift modulation. These topics are thoroughly explored and discussed within the literature study. The second part of the thesis involves the establishment of a DAB model, incorporating mathematical equations and physical derivations. This modeling and design section discusses the energy conversion process, starting from fundamental physical formulas and extending to the overall system setup. Utilizing the proposed model, a control method called SPS (Single Phase Shift) modulation is implemented in the circuit to achieve closed-loop control. Within this part, the relationship between current, voltage, and output power is derived and utilized for the design of a PI closed controller. To address challenges associated with SPS control, such as reactive power elimination and peak current suppression, an EPS (Enhanced Phase Shift) control scheme is introduced. The EPS control scheme not only fulfills the basic requirement of power transfer but also optimizes the system’s overall efficiency. In the third part of the thesis, a simulation is developed to validate the accuracy of the proposed DAB model and control methods. Simulations are implemented using Simulink, a widely used software for dynamic system modeling and simulation. Various aspects of the system are evaluated through the simulation, including the leakage inductor current, voltage waveforms on both the primary and secondary sides and output power. These parameters are plotted and analyzed to assess the performance of the DAB model and control methods. Additionally, loss and efficiency analyses are conducted using PLECS, a simulation platform that specializes in power electronics systems. By inputting the datasheet information of the switches and transformer, PLECS enables the evaluation of losses and efficiency within the system. This analysis provides valuable insights into the performance and energy efficiency of the proposed DAB-based converter. In the final part of the thesis, conclusions are drawn based on the theoretical findings and simulation results obtained throughout the study. These conclusions reflect the overall outcomes and implications of the research conducted. Furthermore, the future work section outlines the tasks that remain unfinished or areas that can be explored in subsequent studies. This section serves as a guide for future researchers, highlighting potential directions for further investigation and improvement in the field of DAB-based DC-DC converters for E-mobility applications. By presenting the conclusions and future work, the thesis provides a comprehensive summary of the research conducted, its contributions, and potential avenues for future research and development. / EU har föreslagit ett ambitiöst mål för att uppnå utbredd e-mobilitet inom både den elektriska och kommersiella sektorn. För att åstadkomma detta måste ett stort antal DC snabbladdningsstationer byggas. Dessa effektomvandlare, installerade i DC-snabbladdningsstationerna (DCFC), skiljer sig från traditionella DC-DC-omvandlare eftersom de uppvisar hög effekttäthet och når tiotals kilowatt. I motsats till traditionella icke-isolerade kraftomvandlare erbjuder isolerade kraftomvandlare idealisk galvanisk isolering, vilket ger skydd för både det lokala elnätet och elfordon. Bland likströmsomvandlarna som är designade för industriella applikationer har LLC-resonantomvandlarna och DABomvandlarna (Dual Active Bridge) vunnit betydande popularitet. Jämfört med LLC-omvandlare uppvisar DAB-omvandlare ett mer flexibelt in- och uteffektområde, såväl som en högre effekttäthet. Med tanke på dessa fördelar har en 10kW dubbelriktad DAB-effektomvandlare designats för att uppfylla kraven i detta examensarbete. Avhandlingen är organiserad i fyra distinkta delar. Den första delen fokuserar på att genomföra en omfattande litteraturgenomgång för att utforska de utmaningar som råder inom det nuvarande elektriska området. Olika DCDC-topologier jämförs baserat på olika faktorer, inklusive komponentanalys, kontrollerbarhet, säkerhetsöverväganden och kostnadseffektivitet. Genom att undersöka dessa aspekter identifieras potentiella lösningar för elektriska fordon (EV). I den andra delen väljs en specifik DC-DC-omvandlare med en märkeffekt på 10kW, som använder DAB-topologin (Dual Active Bridge). Urvalet baseras på den analys som gjorts i litteraturöversikten. Avhandlingen fördjupar sig i de problem och tekniska utmaningar som är förknippade med detta val, såsom reaktiv effekt, toppström, nollspänningsomkoppling (ZVS) och fasskiftsmodulering. Dessa ämnen utforskas och diskuteras grundligt inom litteraturstudien. Den andra delen av examensarbetet omfattar upprättandet av en DAB-modell, innefattande matematiska ekvationer och fysiska härledningar. Det här avsnittet om modellering och design diskuterar energiomvandlingsprocessen, med start från grundläggande fysiska formler och sträcker sig till den övergripande systemuppställningen. Genom att använda den föreslagna modellen implementeras en styrmetod som kallas SPS-modulering (Single Phase Shift) i kretsen för att uppnå sluten-loop-styrning. Inom denna del härleds förhållandet mellan ström, spänning och uteffekt och används för konstruktionen av en sluten PI-regulator. För att ta itu med utmaningar förknippade med SPS-kontroll, såsom eliminering av reaktiv effekt och undertryckning av toppström, introduceras ett EPS-kontrollschema (Enhanced Phase Shift). EPS-kontrollsystemet uppfyller inte bara det grundläggande kravet på kraftöverföring utan optimerar också systemets totala effektivitet. I den tredje delen av avhandlingen utvecklas en simulering för att validera noggrannheten hos den föreslagna DAB-modellen och styrmetoderna. Simuleringar implementeras med Simulink, en mycket använd programvara för dynamisk systemmodellering och simulering. Olika aspekter av systemet utvärderas genom simuleringen, inklusive läckans induktorström, spänningsvågformer på både primär- och sekundärsidan och uteffekt. Dessa parametrar plottas och analyseras för att bedöma prestandan hos DABmodellen och styrmetoderna. Dessutom genomförs förlust- och effektivitetsanalyser med hjälp av PLECS, en simuleringsplattform som är specialiserad på kraftelektroniksystem. Genom att mata in databladsinformationen för switcharna och transformatorn, möjliggör PLECS utvärdering av förluster och effektivitet i systemet. Denna analys ger värdefulla insikter om prestandan och energieffektiviteten hos den föreslagna DAB-baserade omvandlaren. I den sista delen av uppsatsen dras slutsatser baserat på de teoretiska fynden och simuleringsresultat som erhållits genom studien. Dessa slutsatser speglar de övergripande resultaten och konsekvenserna av den genomförda forskningen. Vidare skisserar det framtida arbetsavsnittet de uppgifter som förblir oavslutade eller områden som kan utforskas i efterföljande studier. Det här avsnittet fungerar som en guide för framtida forskare, och lyfter fram potentiella riktningar för ytterligare undersökningar och förbättringar inom området DAB-baserade DC-DC-omvandlare för e-mobilitetstillämpningar. Genom att presentera slutsatserna och det framtida arbetet ger avhandlingen en omfattande sammanfattning av den forskning som bedrivs, dess bidrag och potentiella vägar för framtida forskning och utveckling.

Tesis por compendio / [ES] Hay dos aspectos cruciales a la hora de operar motores de inducción en la industria: la estimación de su eficiencia (para minimizar el consumo de energía) y su diagnóstico (para evitar paradas intempestivas y reducir los costes de mantenimiento). Para estimar la eficiencia del motor es necesario medir tensiones y corrientes. Por ello, resulta conveniente y muy útil utilizar la misma corriente para diagnosticar también el motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). En este sentido, la técnica MCSA más adecuada es aquella basada en la localización de armónicos de fallo en el espectro de la corriente de línea del estator en régimen permanente, pues esta es la condición de funcionamiento de la mayoría de los motores de inducción de la industria. Por otro lado, dado que la frecuencia de estos armónicos depende de la velocidad, resulta imprescindible conocer esta magnitud con precisión, ya que esto permite localizar correctamente los armónicos de fallo, y, por tanto, reducir las posibilidades de falsos positivos/negativos. A su vez, una medida precisa de la velocidad también permite calcular con precisión la potencia mecánica, lo que se traduce en una estimación más exacta del rendimiento. Por último, para adaptarse a las necesidades de la Industria 4.0, en la que se monitoriza continuamente un gran número de motores, la velocidad también debe ser obtenida de manera no invasiva, automática y para cualquier motor de inducción. A este respecto, dado que la medición precisa de la velocidad a través de un encóder es invasiva y costosa, las técnicas de estimación de velocidad sin sensores (SSE en inglés) se convierten en la mejor opción. En la primera parte de esta tesis se realiza un análisis exhaustivo de las familias de técnicas SSE presentes en la literatura técnica. Como se demuestra en ella, aquellos métodos basados en armónicos de ranura (RSHs en inglés) y en armónicos laterales de frecuencia rotacional (RFSHs) son potencialmente los únicos que pueden satisfacer todos los requisitos mencionados anteriormente. Sin embargo, como también se demuestra en esta parte, y hasta esta tesis, siempre había existido un compromiso entre la precisión (característica de los RSHs) y la aplicabilidad general del método (característica de los RFSHs). En la segunda parte, y núcleo de esta tesis, se presenta una metodología que acaba con este compromiso, proporcionando así el primer método de estimación de velocidad preciso, general, no invasivo y automático para el diagnóstico en estado estacionario MCSA y la estimación de la eficiencia de motores de inducción que operan en un contexto de Industria 4.0. Esto se consigue desarrollando una novedosa técnica basada en RSHs que, por primera vez en la literatura técnica, elimina la necesidad de conocer/estimar el número de ranuras del rotor, lo que había impedido hasta la fecha que estos métodos fueran de aplicación general. Esta técnica proporciona además un procedimiento fiable y automático para localizar la familia de RSHs en el espectro de la corriente de línea de un motor de inducción. De igual forma y sin la ayuda de un experto, la técnica es capaz de determinar los parámetros necesarios para estimar la velocidad a partir de los RSHs, utilizando medidas tomadas en régimen estacionario. La metodología es validada utilizando motores con diferentes características y tipos de alimentaciones, empleando para ello simulaciones, pruebas de laboratorio y 105 motores industriales. Además, se muestra un caso de aplicación industrial en el que el algoritmo desarrollado se implementa en un sistema de monitorización continua mediante MCSA, lo que acaba conduciendo al descubrimiento de un nuevo fallo en motores sumergibles de pozo profundo: el desgaste de los anillos de cortocircuito. Por último, se presenta una segunda aplicación directa para este tipo de motores derivada del procedimiento de detección de RSHs: el uso de estos armónicos para diagnosticar, en fase temprana, cortocircuitos entre espiras. / [CA] Hi ha dos aspectes crucials a l'hora d'operar motors d'inducció en la indústria: l'estimació de la seua eficiència (per a minimitzar el consum d'energia) i el seu diagnòstic (per a evitar parades intempestives i reduir els costos de manteniment). Per a estimar l'eficiència del motor és necessari mesurar tensions i corrents. Per això, resulta convenient i molt útil utilitzar el mateix corrent per a diagnosticar també el motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). En aquest sentit, la tècnica MCSA més adequada és aquella basada en la localització d'harmònics de fallada en l'espectre del corrent de línia de l'estator en règim permanent, ja que aquesta és la condició de funcionament de la majoria dels motors d'inducció de la indústria. D'altra banda, atés que la freqüència d'aquests harmònics depén de la velocitat, resulta imprescindible conéixer aquesta magnitud amb precisió, ja que això permet localitzar correctament els harmònics de fallada i, per tant, reduir les possibilitats de falsos positius/negatius. Al seu torn, una mesura precisa de la velocitat també permet calcular amb precisió la potència mecànica, la qual cosa es tradueix en una estimació més exacta del rendiment. Finalment, per a adaptar-se a les necessitats de la Indústria 4.0, en la qual es monitora contínuament un gran nombre de motors, la velocitat també ha de ser obtinguda de manera no invasiva, automàtica i per a qualsevol motor d'inducció. En aquest sentit, atès que el mesurament precís de la velocitat a través d'un encóder és invasiva i costosa, les tècniques d'estimació de velocitat sense sensors (SSE en anglés) es converteixen en la millor opció. En la primera part d'aquesta tesi es realitza una anàlisi exhaustiva de totes les famílies de tècniques SSE presents en la literatura tècnica. Com es demostra en ella, aquells mètodes basats en harmònics de ranura (RSHs en anglès) i harmònics laterals de freqüència rotacional (RFSHs en anglés) són els més prometedors, ja que son potencialment els únics que poden satisfer tots els requisits esmentats anteriorment. No obstant això, com també es demostra en aquesta part, i fins a aquesta tesi, sempre havia existit un compromís entre la precisió (característica dels RSHs) i l'aplicabilitat general del mètode (característica dels RFSHs). En la segona part, i nucli d'aquesta tesi, es presenta una metodologia que acaba amb aquest compromís, proporcionant així el primer mètode d'estimació de velocitat precís, general, no invasiu i automàtic per al diagnòstic en estat estacionari MCSA i l'estimació de l'eficiència de motors d'inducció que operen en un context d'Indústria 4.0. Això s'aconsegueix desenvolupant una nova tècnica basada en RSHs que, per primera vegada en la literatura tècnica, elimina la necessitat de conéixer/estimar el nombre de ranures del rotor, cosa que havia impedit fins avui que aquests mètodes foren d'aplicació general. Aquesta tècnica proporciona a més un procediment fiable i automàtic per a localitzar la família de RSHs en l'espectre del corrent de línia d'un motor d'inducció. De la mateixa forma i sense l'ajuda d'un expert, la tècnica és capaç de determinar els paràmetres necessaris per a estimar la velocitat a partir dels RSHs, utilitzant mesures preses en règim estacionari. La metodologia és validada utilitzant motors amb diferents característiques i condicions d'alimentació, emprant per a això simulacions, proves de laboratori i 105 motors industrials. A més, es mostra un cas real d'aplicació industrial en el qual l'algoritme desenvolupat és implementat en un sistema de monitoratge continu mitjançant MCSA, la qual cosa acaba conduint al descobriment d'una nova fallada en motors submergibles de pou profund: el desgast dels anells de curtcircuit. Finalment, es presenta una segona aplicació directa per a aquest tipus de motors derivada del procediment de detecció de RSHs: l'ús d'aquests harmònics per a diagnosticar, en fase primerenca, curtcircuits entre espires. / [EN] There are two crucial aspects when operating induction motors in industry: efficiency estimation (to minimize energy consumption) and diagnosis (to avoid untimely outages and reduce maintenance costs). To estimate the motor's efficiency, it is necessary to measure voltages and currents. Hence, it is convenient and very useful using the same current to also diagnose the motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). In this regard, the most suitable MCSA technique is that based on locating fault harmonics in the spectrum of the stator line current under steady-state, as this is the operating condition of most induction motors in industry. Since the frequency of these harmonics depends on the speed, it becomes essential to be able to know this magnitude with precision, as this makes it possible to correctly locate the fault harmonics, and therefore, reduce the chances of false positives/negatives. In turn, an accurate speed information also allows to calculate the mechanical power with precision, which results in a more accurate estimation of the motor performance. Finally, to adapt to the needs of 4.0 Industry, where large numbers of motors are continuously monitored, the speed must not only be obtained very accurately, but also non-invasively, automatically (without the need for an expert) and for any induction motor. In this regard, since precise speed measurement through a shaft sensor is invasive and expensive, Sensorless Speed Estimation (SSE) techniques become the best option. The first part of this thesis conducts a thorough analysis of all the families of SSE techniques present in the technical literature. As demonstrated therein, those techniques based on Slotting and Rotational Frequency Sideband Harmonics are the most promising, as they can potentially meet all the aforementioned requirements. However, as also proved in this part, and up to this thesis, there had always been a trade-off between accuracy, characteristic of Rotor Slot Harmonics (RSHs), and general applicability, characteristic of Rotational Frequency Sideband Harmonics (RFSHs). The second part, and core of this thesis, presents a methodology that ends with this trade-off between accuracy and general applicability, thus providing the first precise, general, noninvasive and automatic speed estimation method for MCSA steady-state diagnosis and efficiency estimation of induction motors that operate in a 4.0 Industry context. This is achieved by developing a novel RSH-based technique that, for the first time in technical literature, eliminates the need to know/estimate the number of rotor slots, which had so far prevented these techniques to be generally applicable. This technique also provides a reliable and automatic procedure to, from among the high number of significant harmonics present in the spectrum of the line current of an induction motor, locate the RSHs family. Also automatically and without the help of an expert, the technique is able to determine the parameters needed to estimate speed from RSHs, using only measurements taken during the motor normal operation at steady-state. The methodology is validated using motors with different characteristics and supply conditions, by simulations, lab tests and with 105 industrial motors. Furthermore, a real industrial case of application is shown as well, where the speed estimation algorithm is implemented in a continuous motor condition monitoring system via MCSA, which eventually leads to the discovery of a new fault in deep-well submersible motors: the wear of end-rings. Finally, a second direct application derived from the reliable and automatic procedure to detect RSHs is presented: the use of these harmonics to diagnose early-stage inter-turn faults in induction motors of deep-well submersible pumps. / Bonet Jara, J. (2023). A precise, General, Non-Invasive and Automatic Speed Estimation Method for MCSA Steady-State Diagnosis and Efficiency Estimation of Induction Motors in the 4.0 Industry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194269 / Compendio