The induction motors are used worldwide in various industries. Several maintenance techniques are applied to increase the operating time and the lifespan of these motors. Among these, the predictive maintenance techniques such as Motor Current Signature Analysis (MCSA), Motor Square Current Signature Analysis (MSCSA), Park's Vector Approach (PVA) and Park's Vector Square Modulus (PVSM) are used to detect and diagnose faults in electric motors, characterized by patterns in the stator current frequency spectrum. In this work, these techniques are applied and compared on real motors, which have the faults of eccentricity in the air-gap, inter-turn short circuit and broken bars. It was used a theoretical model of an electric induction motor without fault and with the same voltage supply in order to assist comparison between the stator current frequency spectrum patterns with and without faults. Metrics were purposed and applied to evaluate the sensitivity of each technique fault detection. The results presented here show that the above techniques are suitable for the faults above mentioned. / Os motores elétricos de indução são utilizados em todo o mundo nos mais variados ramos industriais. Diversas técnicas de manutenção são aplicadas para aumentar o tempo de operação e a vida útil destes motores. No contexto da manutenção preditiva, técnicas como Motor Current Signature Analysis (MCSA), Motor Square Current Signature Analysis (MSCSA), Park’s Vector Approach (PVA) e Park’s Vector Square Modulus (PVSM) são utilizadas para detectar e diagnosticar falhas em motores elétricos, caracterizadas por padrões no espectro de frequência da corrente estatórica. Neste trabalho, estas técnicas são aplicadas e comparadas em motores reais, os quais apresentam as falhas de excentricidade no entreferro, curto circuito entre espiras e barras quebradas. Utilizou-se um modelo teórico de um motor elétrico de indução sem falhas, com a mesma tensão de suprimento, com o objetivo de auxiliar a comparação entre os padrões do espectro de frequência de corrente estatórica com e sem falhas. Foram propostas e aplicadas métricas que avaliam a sensibilidade de cada técnica na detecção da falha. Os resultados apresentados neste trabalho mostraram que as técnicas acima mencionadas foram adequadas para as falhas supracitadas, cuja comparação entre estas evidenciou a adequabilidade de cada uma.

Neste trabalho é apresentado um método para a identificação de falha causada por barras quebradas em rotores de motores de indução trifásicos através da análise de sua deformação dinâmica, utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) como elemento sensor. A análise da deformação dinâmica permite a detecção e diagnóstico de uma série de falhas mecânicas como desalinhamento, desbalanceamento, falhas em rolamentos e folga mecânica. Além de falhas mecânicas é possível identificar falhas elétricas como quebras ou trincas em anéis ou barras do rotor. Para as medidas de deformação dinâmica foram utilizados sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica que possuem como características principais a grande capacidade de multiplexação, imunidade à radiação eletromagnética e capacidade de operação a longas distâncias. Ensaios foram feitos em um motor de indução de pequeno porte (3 CV) afim de validar o método e futuramente aplicar em máquinas de médio e grande porte. O motor foi alimentado por três diferentes fontes de alimentação: rede elétrica da concessionária, geradores síncronos e inversor de frequência, para condições de 75% e 100% de sua carga nominal. Nos ensaios foram utilizados um rotor sem defeito de barra e, posteriormente, um rotor com uma barra interrompida. Através dos ensaios foi possível identificar a falha para as duas condições de carga ensaiadas e com as três diferentes fontes de alimentação. A falha de barra quebrada no rotor é identificada em duas regiões do espectro de frequência obtidos com os três conjuntos de ensaios realizados. A primeira região em torno da frequência mecânica de rotação do rotor e a segunda em torno do dobro da frequência elétrica da fonte de alimentação. O sistema se mostrou bastante sensível, com boa relação sinal ruído e com vantagens em relação aos principais métodos e sensores comumente utilizados para a identificação da falha de barras quebradas em motores de indução. / This work presents the rotor broken bar failure identification through strain analysis using fiber Bragg gratings (FBG) as sensor. The dynamic strain analysis allow the diagnostic and detect several mechanical failures like misalignment, unbalances, bearing failures and mechanical clearance, also electrical failures like rotor broken rings and rotor broken bar. Fiber Bragg gratings sensors were used to measure the dynamic deformation, some advantages of FBG are high multiplexing capability, electromagnetic interference immunity and long distance operation capability. Tests were conducted in a small induction motor (3 HP) in order to validate the method and allow it to be applied inthe future in medium and big size machines. The motor was fed through three different sources (directly from the electrical grid, synchronous generators and by one frequency inverter) at 75% and 100% of rated load condition. Tests were conducted with one healthy rotor and then with a rotor with a broken bar. The tests allow identifying the rotor broken bar failure in both load conditions. Rotor broken bar failure could be identified in two spectrum regions for all conducted tests. The first one was the region around the motor mechanical rotational frequency and the second one was the region around twice times power supply frequency. The system have been presented a high sensibility, a god signal to noise relationship (SNR) and some advantages over the main common sensors and methods used to identify and analyze the dynamic eccentricity and rotor broken bar failures in induction motors.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work shows and compares three different flux estimator algorithms developed for use in high-performance sensorless ac motor drives. The first algorithm uses a low pass filter with a very low cut off frequency to integrate the back electromotive force (emf). The second one uses a high pass filter to remove the offset present in the signal before it s integration. The third algorithm uses current and voltage model to estimate the flux of induction motor. These algorithms can be used to accurately measure the motor flux including magnitude and phase angle over a wide speed range. The performance of the algorithms is investigated, compared, and verified using simulation and experimental tests. / Este trabalho tem como objetivo apresentar uma comparação entre três algoritmos estimadores de fluxo estatórico diferentes. Estes algoritmos foram desenvolvidos para serem usados no projeto de acionamentos de alto desempenho, sem sensor de velocidade, para motores de indução. O primeiro algoritmo adotado utiliza um filtro passa baixa com uma freqüência de corte baixa para resolver a integração. O segundo algoritmo usa um filtro passa alta para retirar o offset do sinal de entrada do integrador puro. O terceiro algoritmo é um algoritmo híbrido que utiliza os modelos de tensão e corrente em paralelo para estimar o fluxo. Os algoritmos estimam fluxo estatórico em uma ampla faixa de freqüência de funcionamento do motor de indução e foram implementados na forma de simulação e experimentalmente para comparar o funcionamento dos mesmos em diferentes velocidades de operação do motor. / Mestre em Ciências

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sandro Mauro Ferrari.pdf: 886020 bytes, checksum: ec94448f4bc16637ece24e7e52e125c9 (MD5) Previous issue date: 2006-07-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work are developed two on-line identification methods for three-phase induction motors based on discrete models obtained when we consider continuous systems excited by sinusoidal signals. The first method uses the discrete model of the homopolar machine in the stationary frame to estimate the stator resistance and the stator dispersion inductance and the discrete model of the linear system existent among the stator flux and current in the rotor frame to estimate all the electric parameters of the motor. The second method, besides this last model, presupposes to estimate the stator resistance with DC excitation added to the supply voltage of the motor and the knowledge of the motor class, in order to estimate the other electric parameters through classical methods of least squares parameters estimation. The two methods presuppose the estimate of the rotor frame signals from measurements of stator currents in the stationary frame and measurement of the rotor angular velocity. Simulation and experimental results illustrate the proposed methods. / Neste trabalho são desenvolvidos dois métodos on-line para identificação do motor de indução trifásico baseados em modelos discretos obtidos ao se considerar sistemas contínuos excitados por sinais senoidais. O primeiro método utiliza o modelo discreto da máquina homopolar no referencial estacionário para estimar a resistência estatórica e a indutância de dispersão de estator e o modelo discreto da relação linear existente entre o fluxo estatórico e a corrente estatórica no referencial que gira com o rotor para a obtenção dos demais parâmetros elétricos. No segundo método, além deste último modelo, pressupõe-se a estimação da resistência de estator através do acréscimo de excitação C.C. à tensão bifásica de alimentação do motor. A obtenção dos demais parâmetros elétricos é realizada através de métodos clássicos de Mínimos Quadrados, sendo necessário o conhecimento da classe do motor. Os dois métodos pressupõem a estimação dos sinais no referencial que gira com o rotor a partir das medidas de correntes de estator no referencial estacionário e da medição da rotação do motor. Resultados de simulação e experimentais ilustram a metodologia proposta.

Finep; CAPES; CNPq; FA; ANEEL; ENGIE; / Esta tese apresenta aplicações de redes de Bragg em fibra óptica (FBG) para medição de parâmetros em máquinas elétricas. Os resultados apresentados permitem explorar novas técnicas de instrumentação que mostram o potencial de utilização de FBGs em ambientes industriais, como a medição de temperatura em uma usina hidrelétrica, e de investigação em laboratório, como no estudo da deformação dinâmica do estator de motores de indução. As técnicas de instrumentação apresentadas podem ser utilizadas isoladamente ou integradas, de forma a obter uma instrumentação multiparamétrica em usinas hidrelétricas ou em ambientes industriais que utilizam motores de indução em seu processo produtivo. A tese é organizada em forma de coletânea de artigos científicos, os quais apresentam a medição de temperatura e determinação de um modelo térmico de uma ponte retificadora utilizada para ajustar a corrente de campo do rotor de um gerador, um sensor de campo magnético, medição da deformação dinâmica do estator de motores de indução e caracterização de um acelerômetro óptico biaxial. Os resultados para medição de temperatura nos tiristores utilizados na ponte retificadora mostram a dependência entre temperatura e corrente de excitação, onde oscilações de corrente levam a oscilações de temperatura. O ajuste a partir do modelo térmico desenvolvido para o sistema apresenta um erro de 1,5oC em comparação com as medidas pelas FBGs. O sensor de campo é baseado na magnetostricção, sendo utilizadas duas FBGs. Uma delas para medição de deformação e outra para compensação de temperatura. No sensor de campo é apresentada a variação da resposta em função da temperatura, onde a magnetoestricção apresenta comportamento não-linear e sua saturação também varia em função temperatura. A medida de deformação do estator empregando as FBGs apresenta uma boa relação sinal ruído, com 80 dB para a harmônica fundamental, e as frequências observadas na vibração são as esperadas teoricamente. Além disso, com a utilização de duas FBGs pode-se observar a natureza girante da força magnética do entreferro. A medição de deformação do estator trata-se de uma técnica de análise inovadora, sendo a principal contribuição desta tese. Os resultados obtidos com a medida de deformação do estator são utilizados para validar as medidas de vibração de um acelerômetro óptico biaxial utilizado em um motor de indução. O acelerômetro óptico biaxial é insensível à variação de temperatura, podendo ser aplicado para medição de vibração em máquinas elétricas. / This paper presents the application of fiber Bragg gratings (FBG) for parameters measurement in electrical machines. The results allow to explore new instrumentation techniques and show the potential for industrial applications, presenting the measurement in an hydroelectric power plant, and laboratory research, such as the dynamic stator strain measurement. Each instrumentation technics presented in this paper has a potential to use isolated or integrated in order to obtain a multiparameter instrumentation in hydroelectric power plants or industrial environments that using induction motors in its production process. This paper is organized in a collection of articles, and the FBG applications are the temperature measurement and simulation of a rectifier bridge used to adjust the rotor field current of a power generator, a magnetic field sensor, , a biaxial optical accelerometer and the measurement of the stator dynamic strain of an induction motor. The results for the thyristor temperature measurement show the dependence of temperature and excitation current, where current oscillations lead to temperature fluctuations. The simulation of the thermal model presents a 1.5oC error compared to measures by the FBGs. The field sensor is based on magnetostriction, property where the magnetic material undergo deformation in the presence of a magnetic field. For this sensor are used two FBGs for temperature measurement and deformation in Terfenol-D, material with magnetostrictive properties. In the magnetic field sensor the response is a function of temperature, where the magnetostriction and saturation presents non-linear behavior varies as a function of temperature. Stator strain measurement using the FBGs has a good relationship signal noise, 80 dB for the fundamental harmonic and the observed frequencies in the vibration are theoretically expected. Moreover, with the use of two sensors can be determine the rotating nature of the air gap magnetic force. Finally, the biaxial optical accelerometer does not have is insensitive to temperature variations and can be applied for measuring vibration in electrical machines.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Currently, it is observed an increasing energy demand worldwide. Thus, it is great the search for a more sustainable energy model that is able to meet all the need. In this context, there come the renewable energy sources which present with low environmental impact when compared to other options. Among renewable sources, the wind energy stands out as one of the most promising, which implies an increasing interest in studies for the development of this technology that is still coming up with limitations due to the complexity of the strategies employed. In particular, although the recognition of a large number of computational work aimed at the representation of wind complex, there must be pointed that the resources aimed to laboratory studies, which greatly complement the training and research, are not easily found. In light of these facts and seeking the establishment of a strategy focused on the experimental representation of small-scale wind turbines, this work presents a proposal to use the inverter controlled induction motor as an alternative to replace the wind turbine. Under this strategy, this dissertation advances towards performing simulations to obtain information pertinent to mechanical and electrical quantities in various parts of the conceived structure. Finally, a comparative analysis is made with the technique that adopts controlled dc motor for the same goal. / Atualmente, verifica-se um crescente aumento da demanda energética em todo o mundo. Com isso, é grande a busca por um modelo mais sustentável que seja capaz de suprir toda essa necessidade. Nesse contexto, surgem as fontes de energia renovável, que se apresentam com baixo impacto ambiental quando comparadas às demais opções. Entre as fontes renováveis, a energia eólica destaca-se como uma das mais promissoras, o que implica em um crescente interesse em estudos para o desenvolvimento desta tecnologia que se esbarra ainda em limitações devido à complexidade das estratégias empregadas. Neste particular, muito embora o reconhecimento da existência de um grande número de trabalhos computacionais voltados para a representação de complexos eólicos, há de se destacar que os recursos destinados a estudos laboratoriais, que muito complementam a formação e as pesquisas, não são encontrados com facilidade. À luz desses fatos e visando o estabelecimento de uma estratégia voltada para a representação experimental de unidades eólicas em escala reduzida, este trabalho apresenta uma proposta de utilizar o motor de indução controlado via inversor, como uma alternativa para substituir a turbina eólica. De posse desta estratégia, a presente dissertação avança no sentido de realizar simulações para a obtenção de informações pertinentes às grandezas mecânicas e elétricas em vários pontos da estrutura concebida. Por fim, realiza-se uma análise comparativa com a técnica que adota o motor de corrente contínua controlado para o mesmo objetivo. / Mestre em Ciências

This dissertation presents an application of Virtual and Augmented Reality, having as main focus the study of the magnetic field created by a single-phase engine of induction during its functioning. Virtual Reality and Augmented Reality potentially emerges every days, due increasing number of its applications in the most varied areas of the knowledge. One of the most benefited is Education. Therefore, these technologies becomes supporting tools for education, for assisting in the perception and interaction of the students in diverses subjects. The visualization of the magnetic field is related to strategies of use of ferromagnetic elements. Such fields, the example of others (Electric Field, Gravitational Field) have threedimensional characteristics. Since great part of the referring images to this physical phenomenon is static what most of the time it finishes making it difficult the learning of this subject. In this work, the Magnetic Field could be visualized, for the user, with use of Virtual Reality or Augmented Reality. The study element will be the Magnetic Field that is generated in an electric engine (of single-phase induction). It is intended, by means of this boarding, to identify the advantages of if using the techniques of Virtual Reality and Augmented Reality in relation the other forms of visualization of the magnetic field. / Esta dissertação apresenta uma aplicação de Realidade Virtual e Aumentada, tendo como foco principal o estudo do campo magnético criado por um motor de indução monofásico durante o seu funcionamento. A Realidade Virtual e a Realidade Aumentada a cada dia vêm se destacando, devido ao surgimento de suas inúmeras aplicações nas mais variadas áreas do conhecimento, e uma das mais beneficiadas é a educação. Portanto estas tecnologias vêm se tornando ferramentas de apoio ao ensino, auxiliando a percepção e interação dos alunos em assuntos diversos. A visualização do campo magnético está relacionada com estratégias de utilização de elementos ferromagnéticos. Tais campos, a exemplo de outros (Campo Elétrico, Campo Gravitacional) têm características tridimensionais. Sendo que grande parte das imagens referentes a este fenômeno físico é estática o que na maioria das vezes acaba dificultando ao aprendizado deste tema. Neste trabalho, o Campo Magnético poderá ser visualizado, pelo usuário, com uso de Realidade Virtual ou Realidade Aumentada. O elemento de estudo será o Campo Magnético que é gerado em um motor elétrico (de indução monofásico). Pretende-se, por meio desta abordagem, identificar as vantagens de se utilizar as técnicas de Realidade Virtual e Realidade Aumentada em relação à outras formas de visualização do campo magnético. / Mestre em Ciências

Orientador: Walmir de Freitas Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T18:46:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ricciardi_TiagoRodarte_D.pdf: 6633244 bytes, checksum: bcb56f82b62350db77ed247ac2913cc9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Modelos matemáticos e computacionais precisos dos diversos componentes de um sistema de energia elétrica são importantes para estudos e simulações em um cenário de planejamento e operação da rede elétrica. Dentre os elementos de um sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, as cargas são as que apresentam maiores dificuldades em serem adequadamente representadas. Embora esse tema de pesquisa tenha sido exaustivamente explorado, a modelagem de carga tem recebido renovada atenção do setor produtivo e da academia por uma série de fatores, dentre os quais podemos destacar a proliferação de medidores eletrônicos, o interesse por modelos de novos equipamentos e a necessidade da representação mais fiel do comportamento de diferentes cargas frente a distúrbios no sistema. Esta tese de doutoramento propõe duas contribuições na linha de pesquisa sobre modelagem de carga em sistemas de energia elétrica. A primeira delas trata-se de um método de modelagem de carga baseado em medições e na detecção de distúrbios naturais de tensão. O procedimento proposto emprega medidores eletrônicos simples, que são instalados junto a instalações em sistemas de distribuição com motivo outro que não o de modelagem de carga. A ideia principal é a de utilizar tais medidores para, paralelamente a função que desempenham, fornecer para a concessionária informações sobre modelos de carga, como um subproduto da função principal que desempenham. A segunda contribuição proposta é na linha da modelagem de carga baseada em templates, uma técnica recentemente proposta na literatura para modelagem dinâmica de cargas industriais de grande porte. Nesta tese é proposto um modelo dinâmico simplificado de motores de velocidade variável controlados via conversores eletrônicos (Variable Frequency Drives ¿ VFDs), o qual é baseado em um modelo modificado de um motor de indução. O modelo proposto é adequado ao contexto da estrutura de modelagem de cargas industriais proposta pela técnica de modelagem baseada em templates e pode ser facilmente agregado e analisado em programas de simulação por parte de usuários sem necessidades de alterações do código fonte / Abstract: Accurate mathematical and computational models from various electric power systems components are important in a scenario of power systems studies and simulations for grid planning and operation. Among the elements in the electricity generation, transmission and distribution systems, the loads are probably the most difficult ones to be accordingly represented. Though this research topic has been exhaustively explored, there is a renewed interest in industry and academia for power systems load modeling, due to several reasons, including the proliferation of smart meters, the appearance of non-conventional types of load and the continuing need for even more confident representation of different load response for system disturbances. This Ph.D. thesis proposes two contributions to power systems load modeling research field. The first one deals with a load modeling method based on measurements and the detection of natural voltage disturbances. The proposed scheme uses simple smart meters, installed close to customers with a main goal other than load modeling. The main idea is to use data provided by those meters to, in parallel to the main function performed by this device, provide to the utility information regarding load models, as a byproduct capable to add value to the investment in this meters. The second contribution is in the template based load modeling, a recently methodology proposed for dynamic modeling of large industrial facilities. In this thesis, a simplified Variable Frequency Drive (VFD) dynamic model is proposed, which one is based on a modified induction machine model. The proposed model is suitable to the dynamic load model structure proposed by the template based methodology and can be easily aggregated and analyzed in simulation software by basic users without the need of programming a complex model / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This work investigates the operation of three phase induction motors in field weakening and high speed regions. Maximum torque per ampère is imposed by using an indirect vector control strategy. Mathematical models that accounts for magnetic saturation is used for simulations and adjustment of controllers used in control algorithm. The driving structure is characterized by the use of VSI static converter with sinusoidal PWM switching strategy and a vector control technique based on orthogonal components. Investigations resulted in the development of a digital simulation using discrete models that turned out generic and reliable, and an experimental system using a low cost fixed point DSP platform. Simulated and experimental results are included and shown the robustness and efficiency of the proposed control system under different operating conditions. / O presente trabalho tem como objetivo estudar a operação de motores de indução trifásicos em regime de enfraquecimento de campo e altas velocidades, com maximização do conjugado por ampère, através de um sistema de acionamento vetorial. Para tanto, foi utilizado uma modelagem matemática completa, por fase, que emprega o conceito de função harmônica magnética e considera as componentes, fundamental e de terceiro harmônico do fluxo de entreferro. A estrutura de acionamento caracteriza-se pela utilização de um inversor de tensão PWM senoidal e da técnica de controle vetorial, esta baseada em componentes ortogonais. A evolução do trabalho resultou no desenvolvimento de uma plataforma de simulação computacional baseada em modelos discretos que é bastante genérica e confiável, e um sistema experimental utilizando um processador digital de sinais de baixo custo com aritmética de ponto fixo. Os resultados de simulação e experimentais que avaliam a eficiência do sistema de controle proposto sob diversas condições de operação e efeitos de dessintonia são apresentados e apontam para robustez do método. / Doutor em Ciências