En esta tesis se estudian las pérdidas en el núcleo de los Motores de Inducción (MI) con los siguientes objetivos: compensar los efectos producidos sobre el control y diagnosticar fallas en el núcleo del estator (FNE). Se incluyeron en el modelo dinámico del MI las pérdidas en el hierro (PH), representándolas por medio de una resistencia equivalente, no lineal, a bornes de la inductancia de magnetización del MI. Con el objetivo de determinar el valor de la resistencia equivalente y cuantificar las PH se propusieron una serie de ensayos en vacío (con una fuente de tensión PWM) para un MI no convencional, el que permitió separar las distintas componentes de las pérdidas totales. En base a las mediciones de las pérdidas se pudo determinar el valor de la resistencia equivalente de PH en función de la frecuencia de alimentación. A partir del modelo del MI presentado se evaluó la influencia de las PH sobre el control del MI, se obtuvieron expresiones analíticas del error de estimación del flujo en estado estable de un control orientado por el campo (COC) convencional. Con el objetivo de compensar los errores en la estimación se presentó una propuesta basada en un observador adaptivo de estados. Se comparó el comportamiento del observador con el del estimador convencional, validando la propuesta por medio de resultados de simulación. El estudio realizado evidenció que es posible utilizar el observador adaptivo de estados propuesto para tareas de diagnóstico de fallas, por medio de la supervisión de un parámetro asociado a la condición del núcleo. Con el objetivo de validar experimentalmente la propuesta de diagnóstico se desarrolló un método para la generación de FNE, permitiendo realizar fallas controladas y reversibles, consiguiéndose repetibilidad en los ensayos. Finalmente, se propuso un nuevo modelo para representar a las FNE asimétricas, representándolas como variaciones de la resistencia equivalente de PH. Se validó experimentalmente y por simulación el modelo, midiendose el incremento de la corriente de secuencia negativa y la variación de la impedancia de secuencia negativa del MI, variables que pueden ser usadas para detectar y diagnosticar diferentes grados de severidad de las FNE. / The core losses (CL) of induction motors (IM) are studied in this thesis. The main objective in studying them are: compensate CL effects on the IM control and stator core faults (SCF) diagnosis. The stator CL, represented by a non lineal equivalent resistance on the terminals of the IM magnetization inductance, were included in the induction motor dynamic model. In order to obtain the value of the equivalent resistance and quantifying losses, noload test with a PWM voltage source were carried out on a non-conventional induction motor, which facilitates separating the components of total losses. A quantitative comparison of losses measured in noload condiction was also carried out. It was concluded from this comparison that losses on the rotor cupper do not significantly contribute to the total losses. Loss measurements allowed obtaining the equivalent resistance value as a function of stator frequency. The influence of these CL on the induction motor control was evaluated from the IM model presented in this work. Analytical expressions for error estimation, in steady-state flux, in a field-oriented control (FOC) were also obtained from the model. In an attempt to compensate errors from estimation, an adaptive state observer was also presented. The behaviour of this observer was compared to that of a conventional estimator, validating in this way the proposal through simulation results. It was concluded from this study that it is possible to use the proposed adaptive state observer for SCF diagnosis, by monitoring a parameter related to the stator core. In addition, the proposal was experimentally validated through developing a method to generate SCF, producing controlled and reversible faults, which allows repeating the tests as necessary. Finally, a new model to represent unbalanced SCF as variations of the CL equivalent resistance was also presented. This model was validated experimentally and through simulation by measuring both the increase of the negative sequence current and the variation of the IM negative sequence impedance. These variables can be used to detect and to diagnose SCF.

En este trabajo se presentan los resultados en simulación de un sistema de control tolerante a fallas activo aplicado al proceso hidráulico de cuatro tanques acoplados. El sistema de control tiene el objetivo de mantener las propiedades de desempeño deseadas con y sin la presencia de fallas parciales en actuadores (bombas). El sistema de control tolerante se desarrolla a partir de un sistema de detección y diagnóstico de fallas empleando el observador de entrada desconocida para estimar los niveles de los tanques. Después, se generan los residuos y se evalúan mediante un método basado en la norma del vector. Para aislar las fallas en los dos actuadores se utilizan dos observadores de entrada desconocida. La ventaja de este observador es el permitir estimar la magnitud de la falla. El mecanismo de compensación consiste en calcular una nueva ley de control que se adiciona a la señal que envía el controlador. Este método se conoce como compensación aditiva de fallas. Dicho método se aplica a dos tipos de controladores: basado en realimentación de estados (con acción integral), y basado en matriz dinámica. La principal contribución de este trabajo es el sistema de control tolerante, el cual tiene la capacidad de mantener al sistema de control operando en presencia de una falla parcial en uno de los actuadores con un desempeño cercano al obtenido cuando no hay fallas. Se utiliza la integral del error cuadrático como ´índice de desempeño. Las pruebas de simulación en SIMULINK muestran que la estrategia de compensación permite que los niveles de los tanques sigan sus valores de referencia de manera adecuada incluso en presencia de fallas. La misma metodología se implementa en el software RSLogix 5000 y se descarga en un PLC virtual, obteniéndose resultados similares a SIMULINK. Las simulaciones en SIMULINK y RSLogix 5000 demuestran que el controlador tolerante a fallas tiene un rendimiento superior en comparación al controlador sin compensación de fallas. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / La búsqueda por una energía renovable prácticamente ilimitada ha sido uno de los focos principales de la motivación en la investigación de energía nuclear por fusión atómica. Sin embargo, uno de los principales problemas con la energía por fusión es ser capaz de mantenerla estable con una energía suficiente para conservar la reacción en cadena. Esto se pensaba que solo se podría lograr energizando un gas a tal nivel que se convierte en plasma y lograr que se mantenga estable. Sin embargo, hay otras aproximaciones que dan por sentado que el plasma colapsa y se intenta explotar esta fragilidad. El Dense Plasma Focus permite generar un plasma ascendente que dura centenas de nanosegundos antes de colapsar. Es de sumo interés para estudiar el comportamiento de este plasma en los equipos DPF en diversos aspectos. Debido a esto es imprescindible el estudio del comportamiento del plasma, por lo que se deben realizar experimentos para determinar las restricciones, condiciones necesarias y emisiones de energía que son propias del cuarto estado de la materia. Dentro de la CCHEN existe un departamento dedicado al estudio de las propiedades físicas del plasma, en función de los parámetros de los equipos usados para generarlas. Además, es de interés comprender las aplicaciones que puede tener el plasma en la ciencia de materiales, biología y eliminación de deshechos, entre otros. Sin embargo fallas en estos equipos son comunes e impiden que se puedan realizar los experimentos en el momento esperado, causando problemas posteriores en varios sentidos. El análisis realizado por el memorista comprende un estudio integral del funcionamiento del sistema de los equipos de generación de plasma del tipo Dense Plasma Focus. Para lograr esto, en este análisis se determinan elementos críticos, se realizan diagramas de sistema y planos de equipo, además se obtienen parámetros que permiten evidenciar un avance en el deterioro del sistema, teniendo en cuenta las distribuciones de probabilidades correspondientes. Finalmente, se plantean propuestas de rediseño del sistema, con el objetivo de mejorar la confiabilidad y disponibilidad de este. Junto con esto, se proponen protocolos de mantenimiento y recomendaciones sobre monitoreo de variables clave en la detección de fallas del sistema. De la presente memoria se concluye que manteniendo un monitoreo del crecimiento porcentual de Kurtosis, Shape Indicator, Clearance Indicator, Crest Indicator y Amortiguamiento de las señales características del sistema se puede estimar la cantidad de disparos desde el inicio de un experimento. Por otro lado, se concluye que distinguir los datos que presenten instancia de Dip permite establecer la probabilidad de ocurrencia como una distribución de Weibull. Distinguir datos que posean Dip de los que no puede ser realizado mediante un pre-tratamiento de las señales y posterior entrenamiento de una red neuronal de clasificación. El clasificador permite identificar con una asertividad del 93.25% para datos del mismo tipo y 83.3% para datos diferentes. / Memoria realizada en conjunto con el Departamento de Plasmas TermoNucleares (DPTN) de la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN)

Ingeniero Civil Eléctrico / En la actualidad, la supervisión de procesos necesita ser cada vez más eficiente. Hoy en día se cuenta con múltiples sensores en cada proceso, los cuales entregan información de algún estado/variable del mismo. Al analizar esta información, es posible encontrar relaciones entre variables y puntos de operación del proceso. Lo anterior posibilita la construcción de modelos de procesos en base solo a información recaudada de los estados/variables. Esta herramienta de modelación es muy útil cuando no se conoce de manera completa, a nivel fenomenológico, el proceso a estudiar. El presente Trabajo de Titulo está centrado en la realización de modelos para un molino SAG (Semi-Autógeno) en base a estructuras no-paramétricas de similitud. En primer lugar, se desarrolla un algoritmo para la generación de modelos de similitud usando un enfoque basado en los residuos (diferencia entre el valor real y el valor estimado). Posteriormente, se desarrolla una metodología para estimar variables usando modelos de similitud, la predicción de ellas y un posterior análisis de escenario usando un modelo de predicción. Al momento de generar un modelo para estimar las variables controladas usando datos históricos reales de un molino SAG, se observa que el modelo creado cumple con los criterios de validación. Posteriormente, usando los mismos datos, se procede a crear un modelo de predicción, con el fin de generar un análisis de posibles futuros escenarios. Los resultados muestran que en el nuevo escenario propuesto, se obtiene un mejor desempeño energético del molino SAG estudiado. Por otro lado, se genera un modelo para la detección de anomalías usando una base de datos con una anomalía identificada. Los resultados de esta modelación muestran que se detecta exitosamente la anomalía en la base de datos. Se propone a futuro, desarrollar una herramienta que sea capaz de realizar un pronóstico, estimando las variables independientes para una mejor predicción de las variables controladas.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Dentro del área de mantenimiento, el monitorear un equipo puede ser de gran utilidad ya que permite advertir cualquier anomalía en el funcionamiento interno de éste, y así, se puede corregir cualquier desperfecto antes de que se produzca una falla de mayor gravedad. En data mining, detección de anomalías es el ejercicio de identificar elementos anómalos, es decir, aquellos elementos que difieren a lo común dentro de un set de datos. Detección de anomalías tiene aplicación en diferentes dominios, por ejemplo, hoy en día se utiliza en bancos para detectar compras fraudulentas y posibles estafas a través de un patrón de comportamiento del usuario, por ese motivo se necesitan abarcar grandes cantidades de datos por lo que su desarrollo en aprendizajes de máquinas probabilísticas es imprescindible. Cabe destacar que se ha desarrollado una variedad de algoritmos para encontrar anomalías, una de las más famosas es el Isolated Forest dentro de los árboles de decisión. Del algoritmo de Isolated Forest han derivado distintos trabajos que proponen mejoras para éste, como es el Robust Random Cut Forest el cual, por un lado permite mejorar la precisión para buscar anomalías y, también, entrega la ventaja de poder realizar un estudio dinámico de datos y buscar anomalías en tiempo real. Por otro lado, presenta la desventaja de que entre más atributos contengan los sets de datos más tiempo de cómputo tendrá para detectar una anomalía. Por ende, se utilizará un método de reducción de atributos, también conocido como reducción de dimensión, por último se estudiará como afectan tanto en efectividad y eficiencia al algoritmo sin reducir la dimensión de los datos. En esta memoria se analiza el algoritmo Robust Random Cut Forest para finalmente entregar una posible mejora a éste. Para poner en prueba el algoritmo se realiza un experimento de barras de acero, donde se obtienen como resultado sus vibraciones al ser excitado por un ruido blanco. Estos datos se procesan en tres escenarios distintos: Sin reducción de dimensiones, análisis de componentes principales(principal component analysis) y autoencoder. En base a esto, el primer escenario (sin reducción de dimensiones) servirá para establecer un punto de orientación, para ver como varían el escenario dos y tres en la detección de anomalía, en efectividad y eficiencia. %partida para detección de anomalía, luego se ver si esta mejora Luego, se realiza el estudio en el marco de tres escenarios para detectar puntos anómalos; En los resultados se observa una mejora al reducir las dimensiones en cuanto a tiempo de cómputo (eficiencia) y en precisión (efectividad) para encontrar una anomalía, finalmente los mejores resultados son con análisis de componentes principales (principal component analysis).

Uno de los componentes más importantes en la mayoría de máquinas que existen en el mundo son los ejes. Una falla en estos componentes, involucra un elevado costo, no solo por el costo del componente en sí mismo, sino también, porque al fallar dicho componente, puede parar toda una línea de producción por varias horas e incluso días y en trabajos como operaciones mineras, dichas paradas no programadas simbolizan grandes pérdidas económicas. El presente documento tiene como objetivo determinar mediante la realización de dos análisis de falla y el estudio de data del laboratorio las causas de falla más comunes en ejes de equipos industriales. Los componentes a los que se realizarán los análisis de falla pertenecen a los casos externos que llegan comúnmente al Laboratorio de Materiales de la PUCP. La secuencia del trabajo desarrollado fue recolectar información sobre la metodología que se sigue para realizar un análisis de falla, para que de esta manera se pueda llevar a cabo los análisis de falla a 2 ejes pertenecientes a una caja reductora de un molino de bolas. La secuencia que utiliza este documento sigue los alineamientos planteados por el Laboratorio de Materiales de la PUCP. Una vez realizado los reportes de los casos mencionados, se procede al estudio y análisis de otros 7 reportes que se encuentran en la base de datos del laboratorio, para que de esta manera se pueda presentar resúmenes de cada uno de estos casos siguiendo una secuencia planteada. Finalmente, se procede a analizar los resultados donde se encuentra que el problema más recurrente tiene que ver con deficiencias en el material empleado en la fabricación del componente. Con los resultados obtenidos se plantean recomendaciones y conclusiones. / Tesis

Chile es uno de los países más sísmicos del mundo debido a que se encuentra en el contacto entre dos placas tectónicas que convergen con un alto nivel de acoplamiento. Este margen activo genera deformaciones de la corteza que, en un medio frágil, pueden generar sismicidad cortical. Los sismos corticales son generados por estructuras sismogénicas, que son aquellas fallas geológicas activas, que al presentar movimiento pueden generar sismicidad. Entre los 33° y los 34° S, la Cordillera de la Costa está formada principalmente por rocas plutónicas que cubren el lapso Paleozoico Superior a Cretácico, con edades decrecientes hacia el este. La zona se encuentra afectada por fallas NW y NE, posiblemente pre-jurásicas, que habrían controlado, en parte, el emplazamiento de los plutones jurásicos, y que posteriormente fueron reactivadas después del Mioceno-Plioceno (Gana et al., 2000). Estudios recientes (Campos et al., 2005; Astroza et al., 2006; Sepúlveda et al., 2008) han permitido poner en evidencia una actividad sísmica cortical relevante, que pese a no tener magnitudes muy grandes puede, por su corta distancia hipocentral, generar importantes daños a nivel local en zonas pobladas cercanas. Diversos estudios revelan que existen fallas potencialmente activas en la Cordillera Principal de Chile entre los 33ºS y los 34ºS (e.g. Rauld, 2002; Fock, 2005; Charrier et al., 2005) y se han encontrado evidencias de actividad sísmica cortical en zonas costeras de Chile, en particular, entre Constitución y Concepción (35-37°S), al sur del área de estudio (Campos et al., 2002). El registro del Servicio Sismológico Nacional muestra que en la zona central, bajo la Cordillera de la Costa, existe sismicidad superficial, cuyos focos se encuentran a profundidades menores a 30 km, es decir, lejos de la zona de contacto interplaca. Esta sismicidad se podría asociar a actividad cortical como respuesta a deformaciones frágiles de la corteza continental en esta zona. El objetivo de este estudio es identificar y caracterizar las estructuras corticales potencialmente activas en la Cordillera de la Costa comprendida entre los 33° y los 33°45’S, y estimar de manera preliminar el peligro sísmico asociado a estas estructura en la región. En este trabajo, por ser de carácter preliminar, se consideraron como fallas potencialmente activas a aquellas estructuras de traza mayor a 5 km, que coincidían con rasgos morfológicos y/o presentaran evidencias de posibles movimientos post-miocenos (últimos 5,3 Ma). Se estudió la zona a partir de la cartografía existente, fotografías aéreas, imágenes satelitales y observaciones en terreno. El peligro asociado a estas estructuras fue determinado mediante la metodología determinística que analiza el peor escenario posible para cada estructura potencialmente activa. Se reconocieron más de 50 estructuras en la zona de estudio, que por su expresión morfológica y datos de terreno se consideraron como fallas potencialmente activas. Las de orientación NW resultaron ser, en general, las que generan mayor peligro. Las magnitudes (Mw) máximas posibles preliminares resultaron en el rango entre 5,8 y 7,1; y se obtuvo aceleraciones horizontales máximas (PGA) entre 20%g y 56%g, superando el valor regional de 40%g en casi todo el sector. De esta manera, se concluyó que el peligro sísmico determinístico preliminar asociado a fallas potencialmente activas para la zona de la Cordillera de la Costa comprendida entre los 33° y los 33°45’S es alto, con algunos sectores de peligro medio. Finalmente, sobre la base de los antecedentes geológicos y de las características sísmicas obtenidas en este estudio, se considera que 15 estructuras son las fallas con mayor potencial sismogénico y por lo tanto, las que se recomienda estudiar con más detalle.

A lo largo del tiempo una innumerable cantidad de daños en estructuras se produjeron debido a problemas en sus funda-ciones. Al momento de detectarlos, no siempre fue posible llegar a una solución satisfactoria, disminuyendo sensiblemen-te su vida útil y en algunos casos extremos llegando al colapso de la misma. En esta tesis, inicialmente se diseñan y analizan con métodos numéricos, plateas rectangulares y circulares teniendo en cuenta parámetros mecánicos, apoya-das sobre terrenos elásticos, y considerando la reacción del terreno como lineal y no lineal. Se considera el aporte mecáni-co del pretensado en plateas y en vigas de fundación elásti-ca. Posteriormente, se desarrollan técnicas para la detección, localización y cuantificación del daño en fundaciones, apoya-das sobre un terreno elástico y/o elastoplásticos, utilizando modelos numéricos, con fisuras discretas, y fisuras distribui-das, resueltos con el Método de los Elementos Finitos. Se utilizan parámetros estáticos tales como los Desplazamientos Verticales, diferencia entre Desplazamientos Verticales y Curvatura de la Elástica y parámetros dinámicos, tales como variación de Frecuencias y Respuesta en Frecuencias. Asimis-mo, se presenta una aplicación para la detección, localización y cuantificación de la fisura, mediante la resolución del Proble-ma Inverso, aplicado a vigas de fundación apoyadas sobre un medio elástico, mediante un método numérico. Se analiza el caso de la corrosión de armaduras bajo tensión de tracción de las mismas, mediante la realización de modelos físicos a escala, sometidas a un proceso de corrosión acelerada en distintas zonas de las vigas. A los efectos de correlacionar el deterioro producido, con su respuesta ante acciones exter-nas, se realiza el seguimiento del proceso de fisuración del hormigón, determinando el Potencial de Corrosión, en distintos puntos de las vigas y midiendo la Velocidad de Propagación de Impulsos Ultrasónicos. Por último, en lo referente al refuerzo y reparación de vigas de fundación se trabaja con láminas de materiales compuestos, modelados con el Método de los Elementos Finitos, evaluando el mejoramiento que estos re-fuerzos le proveen al elemento estructural cuando se varía la cantidad y ubicación de los mismos. / Countless instances of structural damage have occurred over time, due to problems with foundations. It was often impossible to come to a satisfactory solution at the time of detection, whith the result of a substantial decrease in structure lifetime, or in its total collapse in extreme situations. In this paper, circular and rectangular concrete plates with diverse aspect ratios are designed and analyzed, lying on elastic foundations, and taking into account mechanical parameters of plates sitting on elastic grounds, assessing linear and non-linear ground reactions. The mechanical contribution of prestressing procedures to plates and elastic foundation beams is considered. Several techniques are next developed for damage detection, location and quantification, in foundation structures lying on elastic and/or elastoplastic grounds, using numeric models with discrete cracks and scattered cracks, solved by means of the Finite Elements Method. Static parameters are used, such as Vertical Displa-cement, Vertical Displacement Difference, Elastic Curvature, as well as dynamic parameters, such as Frequency Variation and Frequency Response. An application is hereby presented for fissure detection, location and quantification in foundation beams lying on an elastic medium, by means of a numerical method and the Inverse Problem. Corrosion of pre-tensed reinforcement bars is analized by means of scaled physical models subjected to accelerated corrosion in several areas of the beams. To correlate the resulting decay to external static actions, the fissuring process of the concrete is assessed by determining the Corrosion Potential at several points of the beams, measuring as well the Propagation Velocity of Ultra-sound Impulses. Finally, on the subject of strenghtening and repair of foundation beams, work is done with sheets of composite material which are modeled with the Finite Elements Method, evaluating the improvement provided to structural elements by diverse amounts and locations of reinforcements.

Ingeniero Civil Electricista / Debido al constante aumento en los estándares de producción y calidad, así como las exigencias impuestas por estrictas normativas ambientales y de seguridad, existe en la industria moderna la necesidad de incrementar la eficiencia y complejidad de los sistemas de control asociados. Sin embargo, existen perturbaciones que no pueden ser eficazmente manejadas por los controladores a menos que exista una adecuada caracterización del modo de operación. He ahí la necesidad de incorporar sistemas de monitoreo para detección y aislamiento de anomalías que pudiesen condicionar el funcionamiento del proceso. En este sentido, el objetivo general de este trabajo es diseñar e implementar un sistema supervisor en línea con modelos basados en similitud (SBM) que permita la detección y el aislamiento de anomalías en procesos industriales multivariados y en particular, en el caso de una turbina a gas natural. El diseño del sistema supervisor incluye una etapa preliminar fuera de línea y de tres etapas que operan en tiempo real. La etapa preliminar corresponde al análisis del proceso en estudio y de los modos de falla de interés, así como la generación de los modelos SBM que serán utilizados en la etapa de implementación en línea. A través de esta metodología de estudio de eventos se determinan las variables más relevantes en cada anomalía con el fin de optimizar el procedimiento de generación de modelos. Las etapas asociadas a la implementación en línea se han denominado fases . Fase I genera una señal de alarma si la salida estimada por un modelo clasificador SBM, diseñado en la etapa preliminar, supera un umbral determinado en la etapa preliminar. Si se produce una alarma, entonces se ejecuta la Fase II que determina el vector de residuos entre las salidas medidas y las salidas estimadas por el modelo SBM, para cada posible anomalía en gestación. Fase III calcula el indicador de Hotelling de cada vector de residuos. Se genera una alarma de anomalía si este indicador supera un umbral determinado en la etapa preliminar. Este sistema es aplicado en una turbina a gas natural para el estudio de dos anomalías que ocasionan una disminución significativa en la potencia: (i) temperatura de un álabe fuera de rango (Anomalía #1) y, (ii) suciedad excesiva en el compresor (Anomalía #2). Los porcentajes de detección de las Anomalías #1 y #2 son 96% y 76%, respectivamente. Estos porcentajes se estiman en función del número de datos. Debido al tamaño de los conjuntos de datos disponibles, es imposible en esta aplicación utilizar probabilidades para caracterizar al sistema supervisor. Las principales ventajas de disponer de este sistema supervisor son: (1) con una metodología de estudio de eventos, se obtienen aquellas variables que son más relevantes en cada anomalía, (2) con la Fase I se logran descartar del análisis aquellas observaciones que representan un modo normal de operación y (3) a través de señales binarias Normal o Alarma se logra centralizar la información que entregan todos los modelos.

This thesis presents a practical implementation of fault detection scheme in a real system by using residuals signals. These residuals have been generated applying the method of a model-based fault diagnosis. Different approaches have been studied and the corresponding algorithms developed. The object of the investigation is the three tank system in which different kind of methods of fault detection were performed. Various scenarios in which faults are simulated in actuators, sensors or components are analyzed considering also the presence of noise. Due to the inherent system characteristics it presents four possible work regions which are usually not taken into account in literature, but studied in this thesis. Also special cases, when the system goes from one region to another through critical points in which the system presents singularities, are shown. Faults will be performed around the time when the system states lie in the neighborhood of the critical points and the main task is now to overcome these singularities and achieve successfully a fault detection. / Tesis