Este trabalho tem como objetivo validar modelos elétrico e térmico de um motor de indução trifásico, utilizando redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elemento sensor. São apresentados dois modelos elétricos do motor de indução que contemplam as perdas magnéticas para uma frequência fixa, obtidos a partir do modelo clássico sob o eixo de referência qd0. As perdas no ferro são representadas por resistências localizadas em paralelo à indutância de magnetização para o primeiro modelo e em paralelo às indutâncias de dispersão do estator e de magnetização para o segundo modelo. O circuito térmico equivalente é representado por impedância (condutividade e capacitância) térmica associada ao rotor e estator. Para a realização dos ensaios no motor foi elaborado um arranjo experimental que permite a medição dos valores elétricos, térmicos e mecânicos simultâneamente. Para a medição de temperatura utilizou-se oito sensores a fibra ótica quase-distribuídos e multiplexados. A instrumentação do motor possibilita a determinação do comportamento térmico da máquina desde a partida até a temperatura em regime. Durante os ensaios foram inseridas oscilações na tensão de alimentação do motor que ocasionaram oscilações de temperatura na ordem de 0,5oC no estator do motor. Os ensaios realizados permitiram ainda a separação da contribuição das perdas mecânicas e eletromagnéticas na elevação de temperatura do motor. Os resultados da simulação do modelo elétrico do motor apresentam uma diferença de 3,6% para a corrente de entrada do motor e 0,1% para a velocidade e potência de saída quando comparados aos valores nominais do motor. A partir do modelo elétrico do motor de indução é possível determinar as perdas elétricas, mecânicas e perdas no ferro do motor. Os resultados da simulação do modelo térmico apresentam uma diferença máxima de 0,75oC durante o transitório, sendo que os valores de temperatura em regime simulado e experimental convergiram para o mesmo valor. A técnica de instrumentação optoeletrônica associada ao arranjo experimental utilizado no trabalho possibilitou a determinação da elevação de temperatura referente as perdas mecânicas do motor. / This work aims to validate electrical and thermal models of a three phase induction motor using fiber Bragg gratings (FBG) as the sensing element. Two electrical models considering the magnetic losses for a fixed frequency, from the well-known model in the arbitrary reference frame qd0 is presented in this work. The iron losses are represented by a resistance in parallel to the magnetizing inductance for the first model and parallel to the stator leakage and magnetization inductance for the second model. The equivalent thermal circuit is represented by a thermal conductivity and a thermal capacitance associated to the stator and rotor. For motor tests realization an experimental arrangement is developed. The experimental arrangement allows the measurement of electrical, thermal and mechanical values simultaneously. For the temperature measurement was used eight fiber optic sensors quasi-distributed and multiplexed. The motor instrumentation allows determine the motor thermal behavior from the start until the temperature regime. During the tests oscillations in voltage feed was included, causing temperature oscillations on the order of 0.5oC on the motor stator. The tests also allowed the separation of the contribution of electromagnetic and mechanical losses in the motor temperature rise. The simulation results of the motor electrical model show a difference of 3.6% for the motor input current and 0.1% for output speed and power compared with motor rated values. From the electrical model of the induction motor is possible to determine the electrical losses, iron losses and mechanical losses. The optoelectronics instrumentation technique associated with the experimental setup used in this work allows determine the temperature elevation related motor mechanical losses.

Este trabalho desenvolve um novo método de controle de eficiência energética no acionamento de motores de indução. Esta técnica utiliza um modelo de perdas e uma estrutura de controle baseada no mínimo consumo de energia elétrica. Em um primeiro momento, são apresentados os estudos com os principais controladores de eficiência energética da última década. Depois, são apresentados os modelos elétricos e mecânicos do motor de indução trifásico, a partir do modelo clássico, com o eixo de referência qd0. O controlador utilizado, é o controle por campo orientado indireto (IFOC - Indirect Field Oriented Control), composto por uma malha externa de controle de velocidade e fluxo, e uma malha interna de controle de correntes, que demonstram um bom desempenho de torque e velocidade. Por se tratar de um controlador IFOC, onde os parâmetros do motor são fundamentais para obter bons resultados, o ensaio do motor de indução é realizado e apresentado. Sabendo-se das principais fontes de perdas do motor, o controlador de eficiência energética pode ser elaborado. O controlador baseado no modelo de perdas (LMC -Loss-Model-Based Control) é descrito, assim como o controlador de busca recursiva (SC - Search Control), ambos muito utilizados na literatura. O LMC proposto é implementado através de curvas padrão de fluxo ótimo baseado na potência absorvida, dependendo da carga no eixo do motor, uma nova curva padrão é utilizada. O controlador de eficiência proposto chamado de (MBC - Model Based Control), utiliza o método LMC com um controlador IFOC, este é simulado via software Matlab e verificado experimentalmente através de uma plataforma de acionamento projetada e montada, conforme o projeto descrito. O controlador de eficiência proposto, é comparado com o acionamento de fluxo constante e com o controlador SC, para diferentes perfis de carga no eixo. Para todos os casos o controlador proposto, apresentou o melhor rendimento da máquina. / This paper develops a new method of controlling the drive energy efficiency of induction motors . This technique uses a model of losses and a control structure based on minimum energy consumption . At first , studies with the main drivers of energy efficiency in the last decade are presented . Then the electrical and mechanical models of three-phase induction motor are presented , from the classic model , with the reference axis qd0 . The controller used is an indirect field-oriented control (IFOC), composed of an outer control loop speed and flow , and an inner current control loop , showing a good performance of torque and speed. Because it is a IFOC controller, where the engine parameters are critical to obtain good results , the testing of induction motor is carried out and presented . Knowing the main sources of losses of the engine, the controller of energy efficiency can be drawn . The loss model based (LMC) controller is described , as well as the controller recursive search (SC), both widely used in the literature . The LMC proposed is implemented through optimum standard curves of flow based on power absorbed. Depending on the load on the motor shaft , a new standard curve is used . The proposed controller called efficiency ( MBC - Model Based Control ) uses the LMC method with a IFOC controller , this is simulated via textit software emph Matlab and verified experimentally through a platform drive designed and assembled , as the project described . The controller proposed efficiency is compared with the drive and the constant flow controller SC to different profiles of the axle. For all cases, the proposed controller showed the best performance of the machine.

Esta dissertação de mestrado propõe desenvolver a modulação vetorial (space vector – SV) para um inversor trifásico multinível híbrido assimétrico de nove níveis por fase com ponte-H em cascata (cascaded H-bridge – CHB). A verificação do desempenho ocorre através de simulações em software de simulação matemática, e posterior comparações entre duas simulações realizadas, como também a comparação da simulação de melhor desempenho com simulações obtidas com a modulação por síntese de formas de onda quase-quadradas e a modulação híbrida. Para tanto, inicialmente são revisadas as topologias de inversores de frequência mais tradicionais na literatura, identificando as suas características para justificar a escolha da topologia híbrida assimétrica. Posteriomente são revisados os métodos de modulação para inversores de frequência, identificando na modulação vetorial vantagens para sintetização das tensões de linha. Após, são relacioanados trabalhos envolvendo a modulação space vector aplicada em inversores multiníveis. Em seguida, a modulação SV é desenvolvida para o inversor trifásico multinível híbrido assimétrico de nove níveis por fase com ponte-H em cascata, sendo realizadas as seguintes etapas: definição dos possíveis vetores de comutação (estados de chaveamento) do inversor proposto no espaço tridimensional e no plano α-β; identificação dos planos limites e dos planos de separação dos setores no plano α-β; obtenção das matrizes de decomposição e; definição da sequência de comutação. Os resultados, obtidos por meio de software de simulação matemática, dos gráficos das tensões de fase e tensões de linha, assim como os valores de distorção harmônica total (total harmonic distortion – THD), fator de distorção de primeira ordem (first order distortion factor – DF1), tensão de modo comum, espectro harmônico dos sinais das tensões (de fase e de linha) são analisados, sendo os índices de THD, DF1 e tensão de modo comum comparados entre duas sequências de comutação diferentes para o inversor proposto. Também, os valores desses índices são comparados com outras técnicas de modulação (modulação por síntese de formas de onda quase-quadradas (QQ) e a modulação híbrida). O desenvolvimento e os resultados das simulações da modulação SV na topologia híbrida assimétrica de nove níveis proposta, assim como as análises das comparações, apontam resultados satisfatórios, identificando um potencial grandioso da modulação SV desenvolvida. / This dissertation proposes to develop the space vector (SV) modulation for a three phase hybrid asymmetric multilevel inverter of nine levels per phase with cascaded H-bridge (CHB). Performance verification occurs through software simulations, and subsequent comparisons between two simulations performed, as well as the comparison of the best performance simulation with simulations obtained with the step wave modulation and hybrid modulation. To do this, the topologies of more traditional frequency inverters are reviewed in the literature, identifying their characteristics to justify the choice of hybrid asymmetric topology. Subsequently, the modulation methods for frequency inverters are reviewed, identifying the advantages of vector modulation for the synthesis of line voltages. Afterwards, works involving the space vector modulation applied in multilevel inverters are related. Then, the SV modulation is developed for a three phase hybrid asymmetric multilevel inverter of nine levels per phase with cascaded H-bridge (CHB). The following steps are performed: definition of the possible switching vectors (switching states) of the proposed inverter in three-dimensional space and in the plane α-β; identification of boundary planes and separation plans of sectors in the α-β plane; obtaining the decomposition matrices e; definition of the switching sequence. The results, obtained through mathematical simulation software, of the phase voltages and line voltages graphs, as well as the values of total harmonic distortion (THD), first order distortion factor (DF1), common mode voltage, harmonic spectrum of the voltage signals (phase and line) are analyzed, with THD, DF1 and common mode voltage indices being compared between two different switching sequences for the proposed inverter. In addition, the values of these indices are compared with other modulation techniques (step wave modulation and hybrid modulation). The development and results of the SV modulation simulations in the nine-level hybrid asymmetric topology proposed, as well as the comparative analyzes, indicate satisfactory results, identifying a great potential for SV modulation developed.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

With rapid depletion of fossil fuels and increasing environmental concerns, the trend to capture renewable energy, especially through wind energy resources, is increasing. The doubly fed induction generator (DFIG) is the most widely used generator for wind energy conversion because of its various advantages over other types of generators. In a DFIG, the rotor is fed through back to back converters via slip rings. The converters enable the generation control. This control property can be used to support reliable operation of a grid network system. Interarea oscillation has been a major factor in limiting power transfers in interconnected power systems. Poorly damped modes can trigger oscillatory instability, potentially leading to cascading blackouts in such systems. We consider a two-area system where DFIG based wind generation is integrated with conventional synchronous generators. A simple controller is proposed for the DFIG to improve damping of interarca oscillations. To support the proposition, case studies are conducted in Matlab/Simulink. The effectiveness of the proposed controller is then analyzed by eigenvalue analysis and verified with time domain simulation results. The results show that a properly tuned controller can increase the damping of dominant oscillatory mode by nearly 5% while improving the area transfer by about 200 MW of wind power. The results further show that with the proposed control strategy, damping of dominant oscillatory mode increased by more than 10%. / North Dakota State University. Graduate School / North Dakota State University. Department of Electrical and Computer Engineering

Induction motors are widely used in industrial processes. The malfunction of a motor may not only lead to high repair costs, but also cause immense financial losses due to unexpected process downtime. Since thermal overload is one of the major root causes of stator winding insulation failure, an accurate and reliable monitoring of the stator winding temperature is crucial to increase the mean time to catastrophic motor breakdown, and to reduce the extraordinary financial losses due to unexpected process downtime. To provide a reliable thermal protection for induction motors fed by motor control devices, a dc signal-injection method is proposed for in-service induction motors fed by soft-starter and variable-frequency drives. The stator winding temperature can be monitored based on the estimated stator winding resistance using the dc model of induction motors. In addition, a cooling capability monitoring technique is proposed to monitor the cooling capability of induction motors and to warn the user for proactive inspection and maintenance in the case of cooling capability deterioration. The proposed cooling capability monitoring technique, combined with the proposed stator winding temperature monitoring technique, can provide a complete thermal protection for in-service induction motors fed by motor control devices. Aside from online thermal protection during a motor's normal operation, the thermal protection of de-energized motors is also essential to prolong a motor's lifetime. Moisture condensation is one of the major causes to motor degradation especially in high-humidity environments. To prevent moisture condensation, a non-intrusive motor heating technique is proposed by injecting currents into the motor stator winding using soft-starters. A motor's temperature can be kept above the ambient temperature due to the heat dissipation, so that the moisture condensation can be avoided. To sum up, active stator winding temperature estimation techniques for induction motors under both operating and de-energization conditions are proposed in this dissertation for both thermal protection and optimizing the operation of a motor system. The importance of these proposed techniques lies in their non-intrusive nature: only the existing hardware in a motor control device is required for implementation; a motor's normal operation is not interrupted.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / Nos dias atuais, um enfoque considerável tem sido dado por pesquisas científicas aos acionamentos de motores elétricos, em destaque aos motores de indução trifásicos com rotor gaiola de esquilo, por serem comumente empregados em aplicações do dia-a-dia, principalmente em ambientes industriais, devido às suas inúmeras e bem conhecidas vantagens. Dentre algumas estratégias existentes para o acionamento destes motores, encontra-se o Controle Direto de Torque, um acionamento vetorial que proporciona um bom desempenho para aplicações de médias e baixas potências. Uma topologia dessa estratégia que envolve a utilização de um algoritmo de Modulação por Vetores Espaciais, denominada de DTC-SVM, tem sido amplamente considerada devido às suas vantagens frente à estrutura convencional. Contudo, em seu algoritmo existem malhas de controle de torque, fluxo e velocidade, que adotam geralmente controladores Proporcional-Integral. Neste trabalho, um estimador de fluxo baseado em modelo de tensão e corrente é considerado, no qual sua estrutura também contém um controlador Proporcional- Integral. Diante desse cenário, este trabalho visa contribuir com o aspecto de sintonia destes controladores, empregando metaheurísticas de otimização para efetuar o ajuste otimizado dos ganhos. Três algoritmos metaheurísticos são considerados: a Otimização por Colônia de Formigas, o Evolução Diferencial e a Otimização por Enxame de Partículas. Basicamente, intervalos de busca para as variáveis envolvidas, ou seja, os ganhos dos controladores, assim como uma função objetivo, que relacione os principais aspectos desejados de melhoria do sistema, devem ser definidos para o processo de otimização, o qual é realizado via simulação computacional. Visando avaliar a eficiência da metodologia proposta, neste trabalho são feitas algumas análises do sistema de acionamento DTC-SVM operando com as sintonias otimizadas e também com uma sintonia inicial, obtida com base em ajustes empíricos. Tais análises são feitas tanto em um ambiente de simulações computacionais, utilizando o software MATLAB/Simulink, quanto em um ambiente experimental, considerando um protótipo desenvolvido, no qual o sistema opera com reversão de velocidade, assim como com distúrbios de carga. Os resultados evidenciam desempenhos eficientes do acionamento operando com as sintonias otimizadas, principalmente durante os regimes transitórios e em operações de baixas velocidades. / Nowadays, a considerable focus has been given by scientific research to the electric motors drive, particularly to the three-phase induction motors with squirrel cage rotor, being commonly used in day-to-day applications, especially in industrial environments, due to its numerous and well known advantages. Among some strategies surveyed for driving these motors, there is the Direct Torque Control, a vector drive which provides good performance for medium and low power applications. A topology of this strategy involving the use of a Space Vector Modulation algorithm, called DTC-SVM, has been considered due to its advantages in comparison to conventional structure. However, in their algorithm there are torque, flux and speed control loops which generally consider Proportional-Integral controllers. In this work, a stator linkage flux estimator based on model of voltage and current is considered, in which its structure also contains a Proportional-Integral controller. Given this scenario, this work aims to contribute with the tuning aspect of these controllers, employing optimization metaheuristics aiming an optimized adjustment of the gains. Three metaheuristic algorithms are considered: Ant Colony Optimization, Differential Evolution and Particle Swarm Optimization. Basically, search ranges to the variables involved, ie. Proportional-Integral controller gains, as well as an objective function, which lists the main desired aspects of improving the system, must be set to the optimization process, which is performed by the computational simulation. Aiming to evaluate the effectiveness of this proposed methodology, in this work were made some analysis at the DTC-SVM drive system operating with the optimized tunings and a initial tuning, obtained by empiric adjusts. Such analysis were carried out either in a computer simulation environment, using MATLAB/Simulink software, as in a laboratory environment, considering a prototype developed, in which the system operates with speed reversal, as well as load disturbances. The results show efficient performances of the drive operating with the optimized tunings, especially during the transient periods and low speed operations.

Fundação Araucária; CNPQ / As máquinas-ferramentas são encontradas em diversas indústrias do setor metal mecânico e oficinas. Estas são acionadas por motores de indução trifásicos, os quais estão sujeitos a problemas relacionados à carga aplicada em seus eixos bem como aos distúrbios da alimentação de energia elétrica na rede. No processo de usinagem os parâmetros relacionados à máquina ferramenta, às propriedades do material da peça, à geometria e ao material da ferramenta e ao próprio processo em si, podem interferir no acabamento superficial das peças usinadas. A rugosidade é considerada um dos principais índices de qualidade do produto final nos processos de usinagem, podendo apresentar variações com as alterações do conjugado eletromagnético no eixo do motor. A proposta deste trabalho é apresentar um preditor de rugosidade superficial de peças baseado exclusivamente na corrente eficaz que alimenta o motor de indução trifásico num processo de torneamento, utilizando redes neurais artificiais para analisar o comportamento da rugosidade em função das condições de usinagem empregadas. Resultados de simulação são apresentados e mostram o desempenho da Rede Neural Artificial (RNA) proposta para diversas situações de operação com desequilíbrios de tensões (entre +10% à -10%) e degraus de torque de carga (25 degraus de 1 em 1 Nm) com erro relativo médio (ERM) de 0,0120%. Os resultados experimentais conforme o método da (RNA) proposta para diversas situações de alimentação da rede elétrica: equilibrado, falta de fase e desequilíbrios de tensões (sobretensão e subtensão), mostram elevada capacidade em aproximar o comportamento da variável de saída (rugosidade Ra) com relação aos valores de entrada (correntes RMS das fases A, B e C). O maior erro relativo médio verificado foi de 0,001754%. / The machine tools are found in various metal and mechanical industries as well as garages. They are operated by three phase induction motors, which are subject to problems related to the applied load on their rotors and disturbances concerning to the quality of electrical supply network. Within the machining process the parameters related to the machine tool, the properties of the workpiece material, geometry and material tool and the process itself, may affect the surface completion of the machined parts. The roughness is considered one of the main indexes of the final product quality in machining processes which may produce changes in the electromagnetic torque on the motor shaft. The purpose of this work is to present a predictor of superficial roughness of parts based on the dynamics of the effective current that feeds the induction motor in the turning process using artificial neural networks to analyze the roughness actions according to the machining conditions employed (speed cutting feed and range of the tool tip). Simulation results are presented and show the performance of the Artificial Neural Network (ANN) proposed several operating situations with imbalances of tensions (between +10% to -10%) and load torque steps (25 steps in 1 1 Nm) with mean relative error (MRE) of 0.0120%. Experimental results depending on the method of (RNA) proposed for various situations power grid: balanced, phase loss and voltage imbalances (overvoltage and undervoltage), show high ability to approximate the behavior of the output variable (roughness Ra) with respect to input values (RMS currents of phases a, B and C). The greatest mean relative error of 0.001754% was observed.

Fundação Araucária, CNPq / O motor de indução trifásico ocupa uma posição de destaque na produção de força eletromotriz e isso o torna vastamente utilizado em aplicações industriais. Consequentemente, também fica submetido às condições de funcionamento e manutenção das máquinas como um todo, bem como das falhas que os mesmos estão sujeitos. Assim, este trabalho propõe um método alternativo aos tradicionais para detecção de falhas em rolamentos de motores de indução trifásicos ligados diretamente a rede elétrica. Os objetivos consistem na utilização de uma abordagem neural capaz de classificar a existência de falha de rolamento com um alto percentual de acerto. Analisando para isto, no domínio do tempo, um semiciclo das tensões de alimentação e das correntes de estator dos motor em estudo. A proposta é validada através de ensaios experimentais num computador e de forma on-line embarcada num DSP. Como conseqüência do trabalho tem-se a criação de um banco de dados de falhas, com mais de mil ensaios envolvendo as principais falhas encontradas em motores de indução trifásicos. Estes ensaios são realizados contemplando as condições de desbalanço de tensão de alimentação e com várias situações de carga mecânica no eixo da máquina. / The three phase induction motor occupies a prominent position in the production of electromotive force and this makes it widely used in industrial applications. Consequently, it is also subjected to the conditions of operation and maintenance of the machines as a whole, as well as faults which they are subject. Thus, this paper proposes an alternative method to traditional in fault detection in bearing of induction motors connected directly to the power grid. The objectives consist in using a neural approach able to classify the existence of bearing fault with a high percentage of correct. Analyzing for this, in the time domain, one half cycle of the voltages and currents of stator the motor in study. The proposal is validated through experimental tests on a computer and monitoring on-line embedded in a DSP. As a result, the work has the creation of a database of failure, with more than a thousand trials involving the main flaws found in three phase induction motors. These tests are performed considering the conditions of voltage supply unbalanced and with several situations of mechanical load on the machine shaft.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / O motor de indução trifásico do tipo gaiola de esquilo é a principal máquina de conversão eletromecânica devido a sua robustez e facilidade de manutenção, sendo indispensável nos processos produtivos industriais. Por sua grande importância, pesquisas na área de identificação de falhas são realizadas constantemente com o objetivo de diminuir as taxas de manutenções corretivas e permitir uma manutenção programada, diminuindo perdas no processo produtivo, decorrentes de paradas indesejadas. Com esse propósito, o presente trabalho propõe o estudo e desenvolvimento de uma metodologia alternativa que utiliza a Evolução Diferencial para identificação de falhas de curto-circuito de estator em motores de indução conectados diretamente à rede elétrica, por meio dos sinais de tensão e corrente aquisitados no domínio do tempo. O algoritmo de Evolução Diferencial é utilizado para estimar os parâmetros elétricos do motor de indução, a partir do modelo do circuito elétrico equivalente e a identificação da falha ocorre a partir do cálculo da variação percentual da indutância de magnetização estimada com o motor sem falhas. A base de dados utilizada para o trabalho foi obtida por meio de experimentos laboratoriais realizados com dois motores diferentes de 1 CV e um motor de 2 CV, sob condições de variação de conjugado, tensões equilibradas e desequilibradas. / The squirrel cage three-phase induction motor is the main electromechanical conversion machine due to its robustness and easy maintenance, therefore it is indispensable in the industrial production processes. Due to its great importance, surveys related to its fault identification are conducted constantly, in order to reduce the corrective maintenance rates and allow a scheduled maintenance, reducing the losses in the production process, due to unexpected stops. With this purpose, this work proposes the study and development of an alternative methodology based on Differential Evolution algorithm to identify stator short-circuit failures in induction motors connected directly on the electric grid, through its voltage and current signals acquired in the time domain. This Differential Evolution algorithm is used to estimate the induction motor electric parameters based on its equivalent electric circuit model and the fault identification occurs in result of the calculation of the estimated magnetization inductance percentage variation considering a healthy motor. The database used for this work was obtained through laboratory experiments performed with two different types of 1 CV motor and a 2 CV motor under different conditions of torque variation and unbalanced voltages.