If the rotor of an induction motor is not concentric with the stator then an electromagnetic force is generated in a direction that will increase the eccentricity. This is called unbalanced magnetic pull (UMP). The first part of the work presented in this dissertation develops theoretical models which allow the calculation of the UMP in cage induction motors due to static rotor eccentricity. These account for any winding configuration including parallel stator winding connection. The second part of the work verifies the models experimentally using two different cage induction motors. The agreement between predicted and measured values of UMP and line current is found to be good. The investigation leads to several new aspects of the damping effects of parallel stator windings and the cage rotor being highlighted.

No description available.

This work is dedicated to faulty induction motors. These motors are often used in industrial applications thanks to their usability and their robustness. However, nowadays optimisation of production becomes so critical that the conceptual reliability of the motor is not sufficient anymore. Motor condition monitoring is expanding to serve maintenance planning and uptime maximisation. Moreover, the use of drive control sensors (namely stator current and voltage) can avoid the installation and maintenance of dedicated sensors for condition monitoring. Many authors are working in this field but few approach the diagnosis from a detailed and clear physical understanding of the localised phenomena linked to the faults. Broken bars are known to modulate stator currents but it is shown in this work that it also changes machine saturation level in the neighbourhood of the bar. Furthermore, depending on the voltage level, this change in local saturation affects the amplitude and the phase of the modulation. This is of major importance as most diagnosis techniques use this feature to detect and quantify broken bars. For stator short-circuits, a high current is flowing in the short-circuited coil due to mutual coupling with the other windings and current spikes are flowing in the rotor bars as they pass in front of the short-circuited conductors. In the case of rotor eccentricities, the number of pole-pairs and the connection of these pole-pairs greatly affect the airgap flux density distribution as well as the repartition of the line currents in the different pole-pairs. These conclusions are obtained through the use of time-stepping finite element models of the faulty motors. Moreover, circuit models of faulty machines are built based on the conclusions of previously explained fault analysis and on classical Park models. A common mathematical description is used which allows objective comparison of the models for representation of the machine behaviour and computing time. The identifiability of the parameters of the models as well as methods for their identification are studied. Focus is set on the representation of the machine behaviour using these parameters more than the precise identification of the parameters. It is shown that some classical parameters can not be uniquely identified using only stator measurements. Fault detection and identification using computationally cheap models are compared to advanced detection through motor stator current spectral analysis. This last approach allows faster detection and identification of the fault but leads to incorrect conclusions in low load conditions, in transient situations or in perturbed environments (i.e. fluctuating load torque and unideal supply). Efficient quantification of the fault can be obtained using detection techniques based on the comparison of the process to a model. Finally, the work provides guidelines for motor supervision strategies depending on the context of motor utilisation.

<p>Definisan je metod za određivanje prostornih vektora struje rotora asinhronih mašina sa kaveznim namotajem, kao i metod za proračun fazora fluksnih obuhvata i struja rotora i statora.<br />Uvedena je strujni fluksni obuhvat, koji pojednostavljulje postupak&nbsp; određivanja fazora fluksnih obuhvata.<br />Definisan je metod za proračun induktivnosti i otpornosti T ekvivalentne šeme asinhronih mašina.<br />Definisan je metod za proračun komponenata momenta, koje potiču od visokih prostornih harmonika struje, kao i pravilo za proračun rezultantnog momenta na osnovu harmoničkih komponenata momenta.</p> / <p>Method for determination of space vectors of currents in induction motors with squirrel cage, and a method for calculation phasors of flux linkages and currents of rotor and stator are determined.<br />Current-flux linkage is introduced, which simplifies determination of phasors of flux linkages.<br />Methods for calculation of inductances and resistances of T equivalent circuit for induction motors are defined.<br />A method for calculation of components of torque, which originate from high space harmonics of currents, and rules for calculation resultant torque on the basis of harmonic components of torque are determined.</p> / null

Στις ηλεκτρικές μηχανές η θερμική ανάλυση είναι εξίσου σημαντική με την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, διότι η θέρμανση μίας μηχανής είναι αυτή που τελικά οριοθετεί την ονομαστική ισχύ της. Ακριβής θερμική μοντελοποίηση της μηχανής απαιτείται για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, την ορθή σχεδίαση, την επιλογή των υλικών και του τρόπου ψύξης και τη βελτιστοποίηση κόστους. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των απωλειών, ο υπολογισμός της παραγόμενης θερμότητας και η εύρεση της κατανομής θερμοκρασίας στο εσωτερικό ενός ασύγχρονου κινητήρα στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. / Thermal analysis of electrical machines is as important as electromagnetic analysis, since the machine heating actually determines the nominal power of the machine. Accurate thermal modelling is necessary in order to achieve high performance, proper design, cost optimization and selection of the most suitable materials and cooling method. The goal of this project is the study of power losses and the calculation of the produced heat and temperature distribution inside an induction motor, which operates at steady state, using the finite element method.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια μελέτη επί του ελέγχου των κινητήρων επαγωγής που στόχο έχει τη διερεύνηση της επίδασης των διαφορετικών σημάτων ανάδρασης (ανάλογο στροφών και ανάλογο του τετραγώνου στοφών) στην απόκριση του συστήματος κίνησης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ενδελεχώς η σχετική θεωρία, μελετήθηκε η παθητικότητα ηλεκτρομηχανικών συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένος ηλεκτρονικός μετατροπέας και κατασκευάστηκε μετατροπέας σήματος συνεχούς ρεύματος ανάλογος του αριθμού των στροφών και του τετραγώνου του. Στα πλαίσια της εργασίας εξετάστηκε PI έλεγχος βασισμένος στον βαθμωτό (Scalar V/f) έλεγχο, με σήμα αρνητικής ανάδρασης ρεύμα ανάλογο του αριθμού και του τετραγώνου του αριθμού των στροφών. Μελετήθηκε η απόκριση του κινητήρα και για τους δύο ελέγχους για διαφορετικές τιμές των παραμέτρων KP και KI, και διερευνήθηκε ποιες είναι αυτές ώστε να έχουμε βέλτιστη απόκριση. Συγκεκριμένα ποιες παρουσιάζουν την μικρότερη υπερύψωση, τον μικρότερο χρόνο αποκατάστασης, το μικρότερο σφάλμα μόνιμης κατάστασης. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της κάθε παραμέτρου στην διαμόρφωση της εσωτερικής ενέργειας του κινητήρα. / This diploma thesis forms a study on control techniques of induction motors which comes with the intention to explore the effets of different signals of feedback (proportional to the number of revolutions and to the square of the number of revolutions) on the output of the motor. For this purpose sedulous analysis of relevant theory was carried out, passivity of electromechanical systems was studied, a specific electronic commutator was used and a converter of constant current signal proportional to the number of revolutionsand to the square of the number of revolutions was developed. In this thesis a PI controller based on the Scalar V/f control with a signal of current of negative feedback was examined. The output of the motor for both the controls aid for different values of the parameters KP and KI was examined, and it was investigated which of them lead to an optimal output of the motor. It was studied more specifically which of them result in the optimal overshoot, settling time and the error of the permanent mode. Furthermore, it was inquired the impact of its parameter on the modulation of the intrinsic power of the motor.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μοντελοποιήθηκε και αναλύθηκε η λειτουργία και η συμπεριφορά ενός τριφασικού ασύγχρονου κινητήρα τροφοδοτούμενου μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα τόσο στην περίπτωση της «υγιούς» μηχανής, όσο και στην περίπτωση μηχανής η οποία παρουσίαζε σφάλματα στον κλωβό. Πιο συγκεκριμένα, με την βοήθεια προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων και ειδικότερα πραγματοποιώντας ανάλυση στις δύο διαστάσεις, προσομοιώσαμε την τάση εξόδου ενός αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία διαμόρφωσης εύρους παλμών μέσω κώδικα που σχεδιάσαμε, και στην συνέχεια τροφοδοτήσαμε με τους παλμούς που παρήχθησαν τα τυλίγματα του στάτη της ασύγχρονης υπό μελέτη μηχανής. Ακολούθως με την χρήση του προαναφερθέντος προγράμματος έγινε ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, της μηχανής. Παρήχθησαν οι κυματομορφές των βασικότερων μεγεθών της μηχανής και πραγματοποιήσαμε με την βοήθεια του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) , αναλύσεις fourier στα φασικά ρεύματα και στις φασικές τάσεις του στάτη, τόσο για το μοντέλο της ασύγχρονης μηχανής χωρίς σφάλματα του δρομέα όσο και για το μοντέλο με σφάλματα. Για την διάγνωση του σφάλματος χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος MCSA(motor current signature analysis) καθώς και η ανάλυση των αρμονικών στο φάσμα της ροπής. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά καθώς και στις βασικές μεθόδους λειτουργίας της ασύγχρονής μηχανής, ενώ γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στον έλεγχο κινητήρων γενικότερα όπως επίσης και στην λειτουργία αυτών σε περίπτωση σφαλμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος για συστήματα οδήγησης ασύγχρονων κινητήρων. Ειδικότερα, παρουσιάζεται συνοπτικά η λειτουργία του τριφασικού ανορθωτή, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στον τριφασικό αντιστροφέα. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του αντιστροφέα πηγής τάσης, γίνεται εκτενής αναφορά στην λειτουργία του με διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM mode of operation) ενώ κυρίως αναλύεται η συμπεριφορά του στην γραμμική περιοχή λειτουργίας του(0<modulation index<0.907), όπου και μας ενδιαφέρει. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εξομοίωσης του ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα, με και χωρίς σφάλμα στον δρομέα όπως αυτά προέκυψαν από την ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων. Παράλληλα δίνεται ανάλυση του κώδικα που σχεδιάστηκε για την προσομοίωση της τάσης εξόδου ενός τριφασικού αντιστροφέα με λειτουργία PWM για την τροφοδοσία των τυλιγμάτων της μηχανής μας, γεγονός το οποίο και αποτελεί κυρίαρχο περιεχόμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής εργασίας. Περιγράφεται δηλαδή η πειραματική διάταξη που υλοποιήθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας δύο όμοιους τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες κλωβού, ένα με σφάλμα στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και ένα χωρίς σφάλμα, ενώ ταυτόχρονα παρατίθενται οι κυματομορφές του ρεύματος στάτη στις οποίες έγινε ανάλυση FFΤ έτσι ώστε να εντοπιστούν οι συχνότητες στις οποίες εισάγονται αρμονικές λόγω του σφάλματος στο δακτύλιο βραχυκύκλωσης και να γίνει έτσι η διάγνωση του σφάλματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιούμε επεξεργασία των πειραματικών αποτελεσμάτων καθώς και των αποτελεσμάτων τα οποία προκύπτουν από την εξομοίωση των δύο κινητήρων από το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων OPERA- 2D. Συγκεκριμένα πραγματοποιούμε ανάλυση FFT μέσω του προγράμματος MATLAB/SIMULINK(R2008A) στις κυματομορφές του ρεύματος στάτη και των τάσεων αυτού καθώς και της ροπής για τους δύο κινητήρες τόσο στην περίπτωση ημιτονοειδούς τροφοδοσίας τους, όσο και στην περίπτωση που τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση. Από τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξάγουμε σημαντικά συμπεράσματα όσο αφορά τη λειτουργία των δύο κινητήρων ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνεται και μια σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί και το παράρτημα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, δίνεται η μοντελοποίηση μέσω του SIMULINK του αντιστροφέα πηγής τάσης με λειτουργία PWM, ενώ παράλληλα γίνεται αναφορά στις διακοπτικές απώλειες των ασύγχρονων κινητήρων όταν αυτοί τροφοδοτούνται με την τάση εξόδου ενός inverter με pwm διαμόρφωση, αλλά και των αντιστροφέων πηγής τάσης, οι οποίοι αποτέλεσαν και κυρίαρχο αντικείμενο μελέτης . / This diploma thesis forms a study on modeling an analyzing an induction motor by using a faulty detection. These motors are often used in industrial applications thanks to their usability and their robustness. However, nowadays optimisation of production becomes so critical that the conceptual reliability of the motor is not suffcient anymore. In this thesis different implementations of control algorithm were examined along with the most important PWM modulation techniques. The cage induction motor is modeled with the space and time discretized finite element analysis using the program OPERA and developing an appropriate model for the motor in 2 dimensions. The fft analysis was performed by developing an appropriate algorithm for the system at the Matlab Tests have been conducted on an experimental construction in order to confirm the theoretically expected operational characteristics of the system.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που αποτελούνται από ασύγχρονη μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος στο στάτη αυτής. Εστιάστηκε κυρίως στον εντοπισμό των σφαλμάτων του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής μέσω της ανάλυσης των ρευμάτων του αντιστροφέα σε μόνιμες και μεταβατικές καταστάσεις του κινητηρίου συστήματος. Προτάθηκε μέθοδος εντοπισμού των σφαλμάτων αναλύοντας το ρεύμα του στάτη της μηχανής χρησιμοποιώντας το Συνεχή Μετασχηματισμό με κυματίδια για μεταβαλλόμενες τιμές του μηχανικού φορτίου ή της συχνότητας λειτουργίας του αντιστροφέα. Μελετήθηκε το αρμονικό περιεχόμενο του ρεύματος στον κλάδο συνεχούς ρεύματος του αντιστροφέα για αρμονικές συνιστώσες λόγω σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή και προτάθηκε μέθοδος ανίχνευσης σφαλμάτων με ανάλυση του ρεύματος αυτού. Επιπλέον, προτάθηκε άλλη μια μέθοδος διάγνωσης των σφαλμάτων που βασίζεται στη διαμόρφωση κατά πλάτος των ρευμάτων του στάτη της ασύγχρονης μηχανής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του κινητηρίου συστήματος και των πειραμάτων στο Εργαστήριο επιβεβαιώνουν την ικανότητα των προτεινόμενων μεθόδων ως προς τη διάγνωση των σφαλμάτων. / This thesis deals with the development of novel methods for fault diagnosis in electric drive systems consisting of squirrel cage asynchronous motor and power electronic converters. It is focused mainly on identifying faults in the asynchronous machine by analyzing the currents of the inverter in steady state and transient operation. The Continuous Wavelet Transform (CWT) of motor stator current has been proposed for successful motor fault diagnosis during changing values of the mechanical load or the operating frequency of the voltage source inverter. Furthermore, the harmonic content of the inverter dc link current has been studied for harmonic components due to faults in the asynchronous machine and a novel diagnostic method has been proposed. In addition, another method based on the amplitude modulation of the stator currents has been investigated. The proposed methods have been validated by simulation and experimental results.

As características de desempenho dos motores trifásicos de indução são fundamentais para estudos de viabilidade econômica, tanto para a manutenção como para a substituição por motores que apresentem melhor rendimento, visando à economia de energia. Existem diversos procedimentos para determinar o desempenho das máquinas de indução, no entanto, são procedimentos baseados em ensaios que exigem o desacoplamento mecânico, comprometendo assim a praticidade, sem contar no custo da instrumentação envolvida. Este trabalho apresenta o estudo e implementação de dois métodos distintos para estimar o rendimento de forma pouco intrusiva, método do torque no entreferro e método do circuito equivalente. Nesse último são estudadas duas técnicas, a primeira estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um conjunto de equações definidas pela resolução do modelo da máquina, e a segunda, estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um algoritmo de identificação por mínimos quadrados. Por fim são mostrados os resultados da aplicação das metodologias propostas no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, onde então é apresentada uma análise dessas técnicas, considerando os aspectos de precisão e incerteza. / The performance characteristics of three-phase motors are essential for economic feasibility studies, for both maintenance and for replacement by motors that have better efficiency, to save energy. There are several procedures based on tests that require mechanical uncoupling, thereby committing practicality, without counting the cost of the instrumentation involved. This work presents the study and implementation of two different methods to estimate the efficiency in low intrusive order, method of air gap torque and method of equivalent circuit. In the latter, two techniques are studied, the first estimates the equivalent circuit parameters though a set of equations defined by the resolution of the machine model, and second, estimates the equivalent circuit parameters by means of an identification algorithm for least squares. Finally shows the results of applying the proposed methodologies in the Laboratory of Energy Efficiency and Water Sanitation – LENHS in Federal University of Rio Grande do Sul, where it is then presented an analysis of these techniques, considering aspects of precision an uncertainty.

As características de desempenho dos motores trifásicos de indução são fundamentais para estudos de viabilidade econômica, tanto para a manutenção como para a substituição por motores que apresentem melhor rendimento, visando à economia de energia. Existem diversos procedimentos para determinar o desempenho das máquinas de indução, no entanto, são procedimentos baseados em ensaios que exigem o desacoplamento mecânico, comprometendo assim a praticidade, sem contar no custo da instrumentação envolvida. Este trabalho apresenta o estudo e implementação de dois métodos distintos para estimar o rendimento de forma pouco intrusiva, método do torque no entreferro e método do circuito equivalente. Nesse último são estudadas duas técnicas, a primeira estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um conjunto de equações definidas pela resolução do modelo da máquina, e a segunda, estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um algoritmo de identificação por mínimos quadrados. Por fim são mostrados os resultados da aplicação das metodologias propostas no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, onde então é apresentada uma análise dessas técnicas, considerando os aspectos de precisão e incerteza. / The performance characteristics of three-phase motors are essential for economic feasibility studies, for both maintenance and for replacement by motors that have better efficiency, to save energy. There are several procedures based on tests that require mechanical uncoupling, thereby committing practicality, without counting the cost of the instrumentation involved. This work presents the study and implementation of two different methods to estimate the efficiency in low intrusive order, method of air gap torque and method of equivalent circuit. In the latter, two techniques are studied, the first estimates the equivalent circuit parameters though a set of equations defined by the resolution of the machine model, and second, estimates the equivalent circuit parameters by means of an identification algorithm for least squares. Finally shows the results of applying the proposed methodologies in the Laboratory of Energy Efficiency and Water Sanitation – LENHS in Federal University of Rio Grande do Sul, where it is then presented an analysis of these techniques, considering aspects of precision an uncertainty.