Actualmente se fabrican máquinas rotativas que pueden alcanzar hasta 20’000 rpm durante su operación. Estas se usan en diferentes campos de aplicación y en diferentes tipos de industria. Según estadísticas, las causas de falla que más afectan a estos equipos son el desbalance, el desalineamiento y la soltura estructural, lo cual se puede produce elevados niveles de vibración y afecta el normal desempeño de estos equipos, produciendo grandes costos para las empresas. En ese sentido, en este trabajo se busca describir los métodos y procedimientos más usados actualmente para corregir tales condiciones. Para tal fin, se realizará una recopilación de literatura técnica relacionada a estos tópicos, estándares internacionales, manuales y casos de estudio publicados. Se concluye que los métodos de balanceo actuales están enfocados en técnicas de control activas y, en el caso del desalineamiento, se recomienda el uso de sistemas láser.

Los ensayos característicos de máquinas eléctricas se desarrollan con el fin de conocer sus principios de funcionamiento, obtener sus circuitos eléctricos equivalentes y evaluar sus comportamientos frente a diferentes condiciones. Para la puesta en marcha y en especial para la realización de los ensayos en máquinas que requieran de voltaje directo como los motores DC o los generadores de corriente alterna en su circuito de campo, se requieren fuentes de alimentación cuyo valor de voltaje pueda ser variable. Esto quiere decir que dichas fuentes no solo deben entregar una tensión continua del valor que se especifica en las características nominales de la máquina, sino también deben tener la capacidad de entregar valores de tensión menores. La presente tesis aborda el diseño y la implementación de fuentes de alimentación de tensión regulables para suministrar energía a los circuitos de campo y armadura de un motor DC shunt y al circuito de campo de un generador síncrono trifásico. Para este objetivo, en la presente tesis se realiza el estudio del motor DC y del generador síncrono trifásico; sus principios de funcionamiento, sus tipos y sus circuitos eléctricos equivalentes. También se aborda el estudio de las tecnologías actuales usadas en el diseño de las fuentes de alimentación lo que introduce a un análisis completo del diseño de las mismas. Por último, se muestran los resultados de las primeras pruebas realizadas a las fuentes implementadas.

[EN] The aim of the fault diagnosis techniques of rotatory electrical machine is to determine the condition of the motor in order to reduce economical loses. In the technical literature is found different signal processing techniques that allow discriminate with the help of an expert that recognize the results, between the healthy and faulty condition of the electrical machines. It is therefore essential to automate this expert task. It is also a priority to research and to develop new detection systems more accurate than the previous ones. Complex systems based on expert systems are used to improve the classification of faults. For this research thesis, has been developed an automatic "supra-system" capable to generate optimal fault diagnosis systems. The proposed "supra-system" is able to generate the optimal diagnostic system for the fault detection induction motors. This has been achieved following these steps: Sample collection: an experimental test bench has been build, where the test motor current and speed are sampled. These samples are obtained for different motor speeds and different load torque. A total of 735 samples has been analyzed in the thesis. The samples have been processed with different techniques of diagnosis according to the working regime. For the steady-state regime is: - Signal analysis. - The analytical signal modulus (Hilbert transform). - Cepstrum transform. - Analysis of Park transform modulus. - Harmonic order tracking analysis (HOTA). For the steady-state regime 20 different diagnostic methods have been explored, resulting from the variations of these techniques. While the techniques used for the transient regime are: - Harmonic order tracking analysis (HOTA) using the Short-Time Fourier Transform (STFT) with Gaussian window. - Harmonic order tracking analysis (HOTA) using the Short-Time Fourier Transform (STFT) with Prolate window (This window is a contribution of this thesis). - Harmonic order tracking analysis (HOTA) using the Short-Frequency Fourier Transform (SFFT) with Gaussian window (This technique is a contribution of this thesis) - Harmonic order tracking analysis (HOTA) using the Short-Frequency Fourier Transform (SFFT) with Prolate window. In addition to these two contributions that are integrated into the HOTA method, have been applied to the original algorithm improvements that helps to decrease the computation time and memory space needed. The improvements are: - A new band-pass filtering stage. - The minimization of the edge effect. - A new faster algorithm for the optimum setting of the filter window. For the transient regime 4 different diagnostic methods are explored. For each of the techniques used, the relevant features are obtained. Thus, a matrix is obtained with feature vectors column with 24 dimension length (20 in steady-state and 4 in transient) and as many rows as the number of tests used in this thesis (735 tests). For each of the feature vectors obtained different classifiers are generated based on artificial neural networks (with one and two hidden layer) and Support Vector Machine (with polynomial or Gaussian kernel function). In other words, four different classifier methods that run in parallel and automatically obtain the optimum parameters according to its parameters. In the final step, the results are analysed and the optimal diagnosis system is selected. The "supra-system" developed in this thesis have the following advantages: 1. It achieves a final optimal diagnostic system. 2. It produces several local optimal diagnostic systems taking into account the training time and the estimated diagnosis time. 3. It is completely autonomous. 4. It is adaptable to the induction motor type, as it can generate an optimal diagnostic system specific for each type of motor. / [ES] El objetivo de las técnicas de diagnóstico de fallo en las máquinas eléctricas rotativas es el de determinar el estado del motor para minimizar costes. En la literatura técnica se encuentran diversas técnicas de análisis de señal que permiten discriminar, mediante un experto capaz de interpretar los resultados, entre una máquina eléctrica en estado de fallo o en estado sano. Por tanto, se hace necesaria la automatización de esta labor. Es prioritario investigar y desarrollar nuevos sistemas de detección que maximicen la precisión respecto a las características disponibles. Para mejorar la clasificación de fallos se estudian sistemas cada vez más complejos basados en sistemas expertos. Se ha desarrollado para esta tesis de investigación un "suprasistema" automático capaz de generar sistemas óptimos de diagnóstico de fallos. Este "suprasistema" se encarga de generar el sistema de diagnóstico óptimo para la detección de fallos en motores de inducción. Para ello se han seguido los siguientes pasos: Obtención de muestras: se ha diseñado un banco de ensayos experimental del cual se obtienen las corrientes y velocidad del motor de estudio. Los ensayos permiten diferentes velocidades del motor y diferentes pares resistentes. Se analizan un total de 735 muestras en la tesis. A estas muestras se les han aplicado diferentes técnicas de diagnosis según el régimen de funcionamiento. Para régimen estacionario son: - Análisis de la señal. - Transformada de Hilbert (módulo de la señal analítica). - Transformada Cepstrum. - Transformada del módulo de Park. - Análisis del orden de armónico (HOTA). Para el régimen estacionario se han explorado 20 métodos, resultado de las diferentes variantes de las técnicas empleadas. Mientras que las técnicas usadas para el régimen transitorio son: - Análisis del orden de armónico (HOTA) de la señal con Short Time Fourier Transform y con ventana Gaussiana. - Análisis del orden de armónico (HOTA) de la señal con Short Time Fourier Transform y con ventana Prolate. (Aportación a la tesis de la aplicación de esta ventana). - Análisis del orden de armónico (HOTA) de la señal con Short Frequency Fourier Transform y con ventana Gaussiana. (Aportación a la tesis de la aplicación de esta técnica). - Análisis del orden de armónico (HOTA) de la señal con Short Frequency Fourier Transform y con ventana Prolate. Además de estas dos aportaciones que se integran en el método HOTA se han aplicado mejoras al algoritmo original que permiten disminuir el tiempo de cálculo y el espacio de memoria necesario. Las mejoras son: - Un filtrado paso banda. - La minimización del efecto de borde. - Un nuevo algoritmo más rápido para el ajuste óptimo de la ventana de filtro. En conclusión, para el régimen transitorio se exploran 4 métodos de diagnóstico. Se ha obtenido características relevantes con cada técnica empleada. En conjunto se obtiene una matriz de vectores de características de dimensión 24 (20 estacionario y 4 en transitorio), donde cada vector tiene la dimensión del número de ensayos realizados, 735. Para cada vector de características se generan varios clasificadores basados en Redes Neuronales Artificiales (de 1 y 2 capas ocultas) y Máquina de vectores de soporte (con kernel polinomial o de base radial). Es decir, se aplican 4 técnicas diferentes de clasificadores, que de forma paralela y automática obtienen los óptimos según los parámetros de los mismos. Como paso final, se analizan los resultados obtenidos y se realiza la selección del sistema óptimo de diagnóstico. El suprasistema desarrollado en esta tesis aporta las siguientes ventajas: 1. Obtiene un sistema de diagnóstico óptimo final. 2. Obtiene varios sistemas de diagnóstico óptimos locales con los tiempos de entrenamiento y los tiempos de diagnóstico. 3. El suprasistema es totalmente autónomo. 4. El suprasistema es adaptable al tipo de motor / [CAT] El principal objectiu de les tècniques de diagnosis es determinar l'estat del motor per minimitzar costos. En la literatura s'hi troben diferents tècniques de anàlisi i processament de la senyal que permeten identificar, amb ajuda de personal altament qualificat amb capacitat d'interpretar els resultats, si la maquina es troba en estat sa o en estat d'averia. Per tot això, resulta necessari la tasca d'automatitzar aquesta labor. Es prioritari investigar nous sistemes de detecció que maximitzen la precisió, tenint en compte les característiques disponibles. Per millorar aquestes característiques de classificació es proposen sistemes cada vegada més complexos basats en sistemes experts. S'ha desenvolupat un "suprasistema" automàtic capaç de generar sistemes òptims de diagnosi de falles. Aquest "suprasistema" proposat s'encarrega de generar el sistema de diagnosi òptim per a la detecció de fallades en motors de inducció. Per al seu desenvolupament s'han seguit les següents etapes: Obtenció d'assajos: s'ha dissenyat un banc d'assajos experimental del qual s'obtenen les corrents i la velocitat del motor d'estudi. Els assaigs permeten diferents velocitats del motor i diferents parells resistents. S'analitzen un total de 735 mostres en la tesi. A aquestes assajos se'ls han aplicat diferents tècniques de diagnosi segons el règim de funcionament. Per al règim estacionari són: - Anàlisi de la senyal. - Transformada de Hilbert (mòdul de la senyal analítica). - Transformada Cepstrum. - Transformada del mòdul de Park. - Anàlisi de l'ordre d'harmònic (HOTA). Per a la diagnosi en règim estacionari s'han explorat 20 mètodes distints, resultat de diferents variacions de les tècniques utilitzades. Mentre que les tècniques aplicades al règim transitori han estat: - Anàlisi de l'ordre d'harmònic (HOTA) de la senyal amb transformada de Fourier curta en temps i finestra Gaussiana. - Anàlisi de l'ordre d'harmònic (HOTA) de la senyal amb transformada de Fourier curta en temps i finestra Prolate. (Aportació a la tesi de l'aplicació d'aquesta finestra) - Anàlisi de l'ordre d'harmònic (HOTA) de la senyal amb transformada de Fourier curta en freqüència i finestra Gaussiana. (Aportació a la tesi de l'aplicació d'aquesta tècnica). - Anàlisi de l'ordre d'harmònic (HOTA) de la senyal amb transformada de Fourier curta en freqüència i finestra Prolate. A més d'aquestes dues aportacions que s'integren en el mètode HOTA s'han aplicat millores a l'algoritme original que permeten disminuir el temps de càlcul i l'espai de memòria necessari. Les millores són: - Una etapa de filtrat pas banda. - Minimització del efectes de costat. - Algoritme més ràpid per a l'ajust òptim de la finestra de filtrat. En conclusió, per al règim transitori s'han analitzat quatre mètodes de diagnosi diferents. Amb les tècniques utilitzades s'obté les característiques rellevants. En conjunt s'obté una matriu de vectors de característiques de dimensió 24 (20 estacionari més 4 en transitori), on cada vector té la dimensió del nombre d'assajos que s'han realitzat, 735. Per cada un dels vectors de característiques obtinguts es desenvolupen distints tipus de classificadors basats en Xarxes neuronals artificials (d'una i de dues capes ocultes) y Màquines de vectors de suport (amb kernel polinomial o base radial gaussiana). És a dir, s'apliquen 4 tècniques diferents de classificadors, que de forma paral·lela i automàtica obtenen els òptims segons els paràmetres dels mateixos. Finalment, es analitza els resultats i es realitza la selecció del sistema de diagnòstic òptim. El suprasistema construït en aquesta tesi aporta els següents avantatges: 1. Obtenir un sistema de diagnosi òptim final. 2. Obté diversos sistemes de diagnosi localment amb els temps del procés d'entrament i el temps de diagnosi 3. Es totalment autònom. 4. Es adaptable y pot generar un sistema de diagnosi específi / Burriel Valencia, J. (2016). Aplicación de sistemas de autoaprendizaje al diagnóstico de máquinas eléctricas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68498 / TESIS

El trabajo de investigación se basa en la detección de averías en máquinas eléctricas rotativas, utilizando el análisis de las corrientes estatóricas de la máquina. Para ello se van a utilizar novedosas técnicas matemáticas avanzadas de procesado de señal. Entre las averías que se pretenden detectar destacan la rotura de barras, cortocircuitos entre espiras y excentricidades estáticas, dinámicas y mixtas. Tradicionalmente la detección de estas averías se ha realizado mediante el análisis de corrientes cuando la máquina está funcionando en régimen permanente y muy recientemente se ha comenzado a analizar el régimen transitorio de la máquina. No obstante, en régimen permanente hay averías que son difícilmente detectables debido a que las componentes de fallo dependen en gran medida del deslizamiento que tenga la máquina eléctrica, siendo muy bajo en régimen permanente, sobre todo en máquinas de grandes potencias. Por ello, durante los últimos años, el Grupo de Investigación en el que se va a desarrollar la tesis doctoral ha desarrollado una serie de novedosas técnicas que permiten detectar las averías mediante el análisis de corrientes en régimen transitorio. No obstante, debido a su elevada complejidad computacional, de análisis e interpretación siguen existiendo una serie de inconvenientes que se pretenden mejorar. Uno de ellos, por ejemplo, es la obtención de indicadores que sean válidos tanto en régimen permanente como en régimen transitorio. El siguiente paso en este análisis que se pretende desarrollar en la tesis doctoral, consiste en desarrollar técnicas de diagnóstico a partir de la medida de corrientes en cualquier tipo de régimen (permanente, transitorio e incluso alimentando a la máquina eléctrica a través de convertidores de frecuencia), tanto como para motores como para generadores, mediante una técnica novedosa que consiste en la representación de la corriente en el sistema de referencia rotórico. Para ello se van a analizar las ondas de corriente cambiando el sistema de referencia, pasando de un sistema de referencia estático a un sistema de referencia móvil. El sistema de referencia va a depender de la velocidad de giro de la máquina eléctrica y por tanto del deslizamiento. De este modo, sabiendo que las componentes de avería dependen del deslizamiento, se va a obtener un nuevo sistema de medida y análisis dependiente del deslizamiento en todo momento. Con ello se pretende mejorar los resultados a la hora de obtener un diagnóstico del estado de la máquina eléctrica, así como su aplicación en cualquier régimen de funcionamiento; funcionando en modo motor o generador con diferentes frecuencias de alimentación o generación. / Sapena Bañó, Á. (2014). Desarrollo de técnicas avanzadas de diagnóstico de máquinas eléctricas válidas para cualquier régimen de funcionamiento [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/39376 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] Las averías inesperadas en las máquinas eléctricas rotativas pueden provocar tiempos de inactividad no programados, que pueden tener como consecuencia grandes pérdidas económicas. Esto aplica a las máquinas eléctricas rotativas en general y en particular a los aerogeneradores eólicos, cuya instalación y necesidades de mantenimiento han experimentado un gran crecimiento en los últimos años. Su mantenimiento predictivo evitaría las averías inesperadas y el aumento de costes que se pueden derivar de un mantenimiento preventivo, mediante la medida continua, on-line, de las variables que indican el estado del aerogenerador. Junto con ello, es necesario el desarrollo de técnicas de diagnóstico fiables que necesitan del testeo en aerogeneradores trabajando bajo diferentes condiciones de fallo. Como los ensayos destructivos para el estudio de defectos o fallos no es económicamente factible, se han desarrollado modelos de máquinas eléctricas rotativas trabajando en condiciones de fallo. Así, estos modelos permiten extraer las características de las corrientes de las máquinas bajo condiciones de fallo reduciendo el número de pruebas destructivas. A partir del compendio de artículos científicos y presentaciones en congreso de esta tesis doctoral se han desarrollado las diferentes etapas de implementación del banco de ensayos. En primer lugar, se exploran las diferentes técnicas de modelado de las máquinas eléctricas rotativas mediante una revisión exhaustiva de la literatura técnica disponible hasta el momento. Por otro lado, se pretenden desarrollar técnicas de modelado para ser implementadas en sistemas de prototipado rápido para realizar el diagnóstico online de la máquina. Sin embargo, los modelos analíticos como el presentado, debido a las simplificaciones que se asumen, no pueden modelar con precisión las no idealidades y las no idealidades propias de las máquinas de inducción defectuosas. Los modelos basados en métodos numéricos son más completos, pero requieren una gran capacidad computacional y largos tiempos de simulación. Además, su implementación en sistemas de prototipado rápido, resulta en una tarea muy compleja hasta el momento. Por esta razón, se opta por desarrollar un método de modelado basado en un enfoque híbrido analítico-numérico, que puede ayudar en el desarrollo de pruebas de técnicas de diagnóstico de fallos para ser implementados en dispositivos embebidos, así como para entrenar a sistemas expertos para evaluar la condición de la máquina. No obstante, este modelo desarrollado todavía requiere de importantes capacidades de memoria y tiempos de cómputo, por lo que se aporta un método para optimizar el cálculo de las inductancias de la máquina eléctrica. El estudio de esta técnica, además de una publicación en revista, ha resultado en dos presentaciones en congreso. Por otro lado, se ha optimizado el modelo analítico, aportando un nuevo método basado en el álgebra tensorial que además permite adaptar el modelo híbrido a diferentes tipos de defectos. Finalmente, como alternativa a las técnicas de diagnóstico tradicionales que se basan en el análisis de corriente a través de la transformada de Fourier (FFT), cuyo uso está limitado al diagnóstico en régimen estacionario, así como a las técnicas tiempo-frecuencia que permiten el diagnóstico de fallos bajo condiciones de régimen transitorio pero a un elevado coste computacional, este trabajo presenta una combinación de técnicas de diagnóstico que proporciona alta resolución espectral en todo el rango de carga de la máquina a bajo coste computacional y requisitos de memoria. Para la validación de las técnicas de modelado y la técnica de diagnóstico presentadas se ha implementado un banco de ensayos versátil con la capacidad de reproducir cualquier condición de funcionamiento. / [CA] Les averies inesperades de les màquines elèctriques rotatives poden provocar temps no programats de inactivitat, que esdevindrien en greus pèrdues econòmiques. Aquest raonament és cert per a màquines elèctriques rotatives en general i per als aerogeneradors en particular, la instal·lació dels quals i necessitats de manteniment han experimentat un gran creixement al llarg dels últims anys. El manteniment predictiu evitaria les averies inesperades i el augment de costos derivats de un manteniment preventiu, mitjançant el anàlisi continu i en línia de les magnituds que indiquen l'estat de l'aerogenerador. A més, seria necessari desenvolupar tècniques de diagnosi fiables a través de proves realitzades en aerogeneradors treballant amb distintes condicions de fallada. La realització d'assajos destructius per a l'estudi de defectes o averies no és econòmicament factible. Per tant, s'han desenvolupat models de màquines elèctriques rotatives treballant en condicions de fallada. D'aquesta manera, aquest model permeten extraure les característiques de les corrents absorbides/generades per les màquines en condicions de fallada i permeten reduir el nombre de proves destructives. A partir d'un compendi d'articles científics i presentacions en congrés d'aquesta tesi doctoral s'han desenvolupat les diferents etapes de implementació del banc de proves. En primer lloc s'exploren les diferents tècniques de modelat de màquines elèctriques rotatives mitjançant una revisió exhaustiva de la literatura tècnica disponible fins a la data. D'altra banda, es pretén desenvolupar tècniques de modelat per se implementades en sistemes de prototipat ràpid per realitzar la diagnosi en línia de la màquina. En aquest cas, la primera tècnica de modelat desenvolupada en la tesis es basa en mètodes analítics, obtinguin-se un model molt ràpid que simplifica el procés de càlcul dels paràmetres del model de la màquina elèctrica i és capaç de representar qualsevols tipus i nombre de fallades de simetria del rotor. No obstant això, els models analítics, como el presentat, no poden modelar amb precisió les no idealitats i no linealitats pròpies de les màquines de inducció amb fallada. El models basats en mètodes numèrics son més complets però requereixen una gran capacitat computacional i llargs temps de simulació. A més, la seua implantació en sistemes de prototipat ràpid resulta una tasca complexa i en molts casos inassolible. Per aquesta raó s'ha optat per desenvolupar un mètode de modelat basat en un plantejament híbrid analític-numèric, que pot ajudar al desenvolupament de sistemes per provar tècniques de diagnosi de fallades per se implantats en dispositius embeguts així com per entrenar a sistemes experts per avaluar la condició de la màquina. No obstant això, aquest model encara requereix de importants capacitats de memòria i temps de computació, per tant, en aquesta tesis, s'aporta un mètode per optimitzar el càlcul de les inductàncies de la màquina elèctrica. L'estudi d'aquesta tècnica, a més d'una publicació en revista, ha resultat en dos presentacions en congres. En altra publicació s'ha optimitzat el model analític mitjançant un mètode basat en l'àlgebra tensorial que permet adaptar el model híbrid a altres tipus de fallada. Finalment, com alternativa a les tècniques de diagnòstic tradicionals basades en el anàlisi de la corrent amb la transformada ràpida de Fourier (FFT) limitades al diagnòstic en règim estacionari, així como a les tècniques basades en l'anàlisi temps-freqüència que permeten la diagnosis en règim transitori per a un elevat cost computacional, aquest treball presenta una combinació de tècniques de diagnosi que proporciona alta resolució espectral en totes les zones de treball de la màquina amb un baix cost computacional i de memòria. Per a la validació d'aquestes tècniques de modelat i la tècnica de diagnosi presentada s'ha implementat un banc d'assajos versàtil i amb la capacitat de reproduir qualsevols condició de funcionament. / [EN] Unexpected breakdowns in rotating electrical machines components can lead to unscheduled downtimes and consequently to large economic losses. This relates to electrical machines in general and particularly to wind turbines, whose installation and maintenance needs have raised significantly in recent years. Predictive maintenance would avoid unexpected breakdowns and the associated increased costs from preventive maintenance, by online condition monitoring of the machine. In addition, the development of reliable diagnostic techniques is needed, which requires the testing of wind turbines working under various fault conditions. As destructive testing for fault research purposes is not economically feasible, several rotating electrical machines models running under fault conditions have been developed to investigate the characteristics of faulty machines and have allowed reducing the number of destructive tests. The different stages of the implementation of the test bench have been developed from the compendium of scientific papers and conference presentations of this doctoral thesis. Firstly, the different modeling techniques for rotating electrical machines are explored through an exhaustive review of the technical literature available so far. Moreover, it is aimed at developing modeling techniques valid to be implemented in rapid prototyping systems to perform online diagnosis of the machine. The first modeling technique developed in this thesis is based on analytical methods, obtaining a very fast model which greatly simplifies the process of calculating the parameters of the electrical induction machine model. This model can reproduce any kind and number of rotor asymmetry faults. However, analytical models as the presented one, due to the simplifications assumed, cannot accurately model the inherent non-idealities and non-idealities within faulty induction machines. Models based on numerical methods are more complete but require high computational effort and long simulation times. Moreover, their implementation in rapid prototyping systems is challenging so far. For this reason, a modeling method based on a hybrid analytical- numerical approach is developed, which can contribute to the development of testing fault diagnosis techniques to be implemented in embedded devices, as well as to train expert systems to evaluate the state of the machine. However, this model still requires a significant memory capacity and computation time, so it is provided a method to optimize the computation of the coupling para- meters of the machine. The study of this technique has resulted in a journal publication and two conference presentations. Particularly, it is studied the correct implementation of the modelling technique to obtain a reliable fault diagnosis and it is compared with another method of parameter reduction pro- posed in the technical literature. Besides that, the analytical model has been optimized, providing a new method based on tensor algebra, which also allows the hybrid model to be adapted to different types of defects. Finally, this work shows a combination of diagnostic techniques providing high spectral resolution over the entire machine load range at low computational cost and with negligible memory requirements. This provides an alternative to the traditional diagnostic techniques based on current analysis using Fourier transform (FFT), whose implementation is limited to the diagnosis in the steady state, as well as time-frequency techniques, which allow fault diagnosis under transient regime conditions at high computational cost. For the validation of the presented modeling techniques and diagnostic technique, a versatile test bench has been implemented. This test bench allows to reproduce any operating condition of the machine. / Terrón Santiago, C. (2022). Desarrollo e implementación de un banco de ensayos virtual de aerogeneradores para diferentes regímenes de funcionamiento y condiciones de fallo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183782 / TESIS / Compendio

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

[ES] En los últimos años, la industria de la automoción ha hecho un gran esfuerzo para producir sistemas de propulsión más eficientes y menos contaminantes sin menguar su rendimiento. Las nuevas regulaciones impuestas por las autoridades han empujado a la industria hacia la electrificación de los sistemas de propulsión mientras que las tecnologías desarrolladas para el sistema de propulsión convencional, basado en motores de combustión interna alternativos (MCIA), ya no son suficientes. El modelado numérico ha demostrado ser una herramienta indispensable para el diseño, desarrollo y optimización de sistemas de gestión térmica en trenes motrices electrificados, ahorrando costes y reduciendo el tiempo de desarrollo. La gestión térmica en los MCIA siempre ha sido importante para mejorar el consumo, las emisiones y la seguridad. Sin embargo, es todavía más importante en los sistemas de propulsión híbridos, a causa de la complejidad del sistema y al funcionamiento intermitente del MCIA. Además, los trenes motrices electrificados tienen varias fuentes de calor (es decir, MCIA, batería, máquina eléctrica) con diferentes requisitos de funcionamiento térmico. El objetivo principal de este trabajo ha sido desarrollar modelos térmicos para estudiar la mejora de los sistemas de gestión térmica en sistemas de propulsión electrificados (es decir, vehículo híbrido), estudiando y cuantificando la influencia de diferentes estrategias en el rendimiento, la seguridad y la eficiencia de los vehículos. La metodología desarrollada en este trabajo consistió tanto en la realización de experimentos como en el desarrollo de modelos numéricos. De hecho, se llevó a cabo una extensa campaña experimental para validar los diferentes modelos del tren motriz electrificado. Los datos obtenidos de las campañas experimentales sirvieron para calibrar y validar los modelos así como para corroborar los resultados obtenidos por los estudios numéricos. En primer lugar, se estudiaron las diferentes estrategias de gestión térmica de manera independiente para cada componente del tren motriz. Para el MCIA se estudió el uso de nanofluidos, el aislamiento del colector y puertos de escape, así como el cambio de volumen de sus circuitos hidráulicos. De igual forma, se evaluó el impacto de diferentes estrategias para la mejora térmica de las baterías. Además, el modelo de máquina eléctrica se utilizó para desarrollar pruebas experimentales que emulaban el daño térmico producido en ciclos reales de conducción. En segundo lugar, los modelos de tren motriz se integraron utilizando un estándar de co-simulación para evaluar el impacto de un sistema de gestión térmica integrado. Finalmente, se implementó un nuevo control del sistema de gestión de energía para evaluar el impacto de considerar el estado térmico del MCIA al momento de decidir la distribución de potencia del vehículo híbrido. Los resultados han demostrado que el uso de nanofluidos tiene un impacto muy limitado tanto en el MCIA como en el comportamiento térmico de la batería. Además, también mostraron que al reducir el volumen de refrigerante en un 45 %, la reducción en el tiempo de calentamiento del MCIA y el consumo de combustible en comparación con el caso baso fue del 7 % y del 0.4 %, respectivamente. Además, para condiciones de frio (7ºC), el impacto fue todavía mayor, obteniendo una reducción del tiempo de calentamiento y del consumo de combustible del 13 % y del 0.5 % respectivamente. Por otro lado, los resultados concluyeron que durante el calentamiento del MCIA, el sistema integrado de gestión térmica mejoró el consumo de energía en un 1.74 % y un 3 % para condiciones de calor (20ºC) y frío (-20ºC), respectivamente. Esto se debe al hecho que el sistema de gestión térmica integrado permite evitar la caída de temperatura del MCIA cuando el sistema de propulsión está en manera eléctrica pura. / [CA] En els últims anys, la indústria de l'automoció ha fet un gran esforç per a produir sistemes de propulsió més eficients i menys contaminants sense minvar el seu rendiment. Les noves regulacions imposades per les autoritats han espentat a la indústria cap a l'electrificació dels sistemes de propulsió mentre que les tecnologies desenvolupades per al sistema de propulsió convencional, basat en motors de combustió interna alternatius (MCIA), ja no són suficients. El modelatge numèric ha demostrat ser una eina indispensable per al disseny, desenvolupament i optimització de sistemes de gestió tèrmica en trens motrius electrificats, estalviant costos i reduint el temps de desenvolupament. La gestió tèrmica en els MCIA sempre ha sigut important per a millorar el consum, les emissions i la seguretat. No obstant això, és encara més important en els sistemes de propulsió híbrids, a causa de la complexitat del sistema i al funcionament intermitent del MCIA. A més, els trens motrius electrificats tenen diverses fonts de calor (és a dir, MCIA, bateria, màquina elèctrica) amb diferents requisits de funcionament tèrmic. L'objectiu principal d'aquest treball va ser desenvolupar models tèrmics per a estudiar la millora dels sistemes de gestió tèrmica en sistemes de propulsió electrificats (és a dir, vehicle híbrid), estudiant i quantificant la influència de diferents estratègies en el rendiment, la seguretat i l'eficiència dels vehicles. La metodologia desenvolupada en aquest treball va consistir tant en la realització d'experiments com en el desenvolupament de models numèrics. De fet, es va dur a terme una extensa campanya experimental per a validar els diferents models del tren motriu electrificat. Les dades obtingudes de les campanyes experimentals van servir per a calibrar i validar els models així com per a corroborar els resultats obtinguts pels estudis numèrics. En primer lloc, es van estudiar les diferents estratègies de gestió tèrmica de manera independent per a cada component del tren motriu. Per al MCIA es va estudiar l'us de nanofluids, l'aïllament del col·lector i ports d'eixida així com el canvi de volum dels seus circuits hidràulics. D'igual forma, es va avaluar l'impacte de diferents estratègies per a la millora tèrmica de les bateries. A més, el model de màquina elèctrica es va utilitzar per a desenvolupar proves experimentals que emulaven el mal tèrmic produït en cicles reals de conducció. En segon lloc, els models de tren motriu es van integrar utilitzant un estàndard de co-simulació per a avaluar l'impacte d'un sistema de gestió tèrmica integrat. Finalment, es va implementar un nou control del sistema de gestió d'energia per a avaluar l'impacte de considerar l'estat tèrmic del MCIA al moment de decidir la distribució de potència del vehicle híbrid. Els resultats han demostrat que l'us de nanofluids té un impacte molt limitat tant en el MCIA com en el comportament tèrmic de la bateria. A més, també van mostrar que en reduir el volum de refrigerant en un 45 %, la reducció en el temps de calfament del MCIA i el consum de combustible en comparació amb el cas base va ser del 7 % i del 0.4 %, respectivament. A més, per a condicions de fred (-7ºC), l'impacte va ser encara major, obtenint una reducció del temps de calfament i del consum de combustible del 13 % i del 0.5 % respectivament. D'altra banda, els resultats van concloure que durant el calfament del MCIA, el sistema integrat de gestió tèrmica va millorar el consum d'energia en un 1.74 % i un 3 % per a condicions de calor (20ºC) i fred (-20ºC), respectivament. Això es deu al fet que el sistema de gestió tèrmica integrat permet evitar la caiguda de temperatura del MCIA quan el sistema de propulsió està en manera elèctrica pura. / [EN] In recent years, the automotive industry has made a great effort to produce more efficient and less polluting propulsion systems without diminishing their performance. The new regulations imposed by the authorities have pushed the industry towards the electrification of powertrains while, technologies developed for the conventional propulsion system based on alternative internal combustion engines (ICEs), are no longer sufficient. Numerical modeling has proven to be an indispensable tool for the design, development and optimization of thermal management systems in electrified powertrains, saving costs and reducing development time. Thermal management in ICEs has always been important for improving consumption, emissions and safety. However, it is even more important in hybrid powertrains, due to the complexity of the system and the intermittent operation of the ICE. In addition, electrified powertrains have various heat sources (i.e., ICE, battery, Electric machine) with different thermal operating requirements. The main objective of this work was to develop thermal models to study the improvement of thermal management systems in electrified powertrains (i.e., hybrid electric vehicle), shedding light and quantifying the influence of different strategies on performance, safety and efficiency of the vehicles. The methodology developed in this paper consisted both in carrying out experiments and in developing numerical models. In fact, an extensive experimental campaign was carried out to validate the various models of the electrified powertrain. The data obtained from the experimental campaigns served to calibrate and validate the models as well as to corroborate the results obtained by the numerical studies. Firstly, the different thermal management strategies were studied independently for each component of the powertrain. For the ICE, the use of nanofluids, insulation of exhaust manifold and ports as well as the volume change of its hydraulic circuits were studied. Similarly, the impact of different strategies for the thermal improvement of batteries was evaluated. Furthermore, the electric machine model was used for developing experimental tests which emulated the thermal damage produced in real driving cycles. Secondly, the powertrain models were integrated using a co-simulation standard to assess the impact of an integrated thermal management system. Finally, a new control energy management system was implemented to assess the impact of considering the ICE thermal state when deciding the power split of the hybrid vehicle. The results have shown that the use of nanofluids has a very limited impact on both the ICE and the battery's thermal behaviour. In addition, they also showed that by reducing the volume of coolant by 45 %, the reduction in ICE warm up time and fuel consumption compared to the base case were 7 % and 0.4 %, respectively. In addition, for cold conditions (-7ºC), the impact was even greater, obtaining a reduction in warm up time and fuel consumption of 13 % and 0.5 % respectively. On the other hand, the results concluded that during the warming of ICE, the integrated thermal management system improved energy consumption by 1.74 % and 3 % for warm (20ºC) and cold (-20ºC) conditions, respectively. This is because the integrated TMS makes it possible to prevent the ICE temperature drop when the powertrain is in pure electric mode. Finally, significant gains during Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles (WLTC) and Real Driving Emissions (RDE) cycles were observed when the ICE thermal state was chosen when deciding the power distribution. / The author would like to sincerely acknowledge the founding support pro- vided by Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital in the framework of the Ayuda Predoctoral GVA. (ACIF/2020/234). Additionally the author would also acknowledge the support provided by Renault S.A.S. / Dreif Bennany, A. (2023). Development of Integrated Models for Thermal Management in Hybrid Vehicles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194060