Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo propone y valida un procedimiento para clasificación de fallas usando señales de vibraciones mecánicas en rodamientos con fallas inducidas. Este procedimiento consiste en obtener imágenes tiempo-frecuencia para entrenar una Red Adversaria Generativa (GAN). Luego mediante algoritmos de clustering aplicados a salidas de su arquitectura, se obtienen los grupos con fallas de iguales síntomas y características. Para esto se ensayan diversas configuraciones considerando dos tipos de imágenes (espectrogramas y escalogramas), cuatro arquitecturas GAN (DCGAN, InfoGAN, MRGAN y Wasserstein GAN) y dos algoritmos de clustering (K-means y spectral clustering). En primera instancia se repasan los fundamentos de las fallas en rodamientos: sus síntomas y metodologías usadas para su diagnóstico; luego se presentan los antecedentes respecto a los diversos componentes del procedimiento y los criterios de evaluación. Parea su validación se usan sets de datos de vibraciones mecánicas con fallas ya clasificadas (MFPT y CWRU). Mediante indicadores se comparan la clasificación real con la obtenida, resaltando las mejores configuraciones para el procedimiento. Los ensayos muestran que las arquitecturas GAN InfoGAN y MRGAN junto al algoritmo K-means poseen un comportamiento más estable en el procedimiento. Es más, mediante el estudio de la función de costos es posible determinar si el entrenamiento resulta efectivo o no, proponiéndose un estudio más acabado respecto a un criterio de identificación para obtener mejores desempeños. Además se realiza un análisis entre las clasificaciones obtenidas y las reales teniéndose consistencia entre los resultados obtenidos por el procedimiento propuesto y los entregados por los métodos de diagnóstico usados actualmente, ya sea mediante el estudio de los mismo o consultando bibliografía. También se incorpora un set de ensayo de degradación continua. Usando la mejor configuración de las pruebas anteriores se logran detectar estados de falla. Sin embargo el diagnostico no puede ser concluyente ya que aparecen nuevos fenómenos en estos datos como fallas multimodales, no consideradas inicialmente. Finalmente se proponen algunas extensiones a fin de poder estudiar de manera correcta este último caso que resulta ser más cercano a las aplicaciones que los dos primeros, como considerar la secuencia de las mediciones o determinar anteriormente los modos de fallas presentes en los datos.

The recent development of technological systems implies a high complexity of behaviors for today’s systems. An answer to the increased systems’ complexity is to look at them as a multitude of heterogeneous subsystems and develop distributed techniques to control and manage them. This raises a number of problems. Firstly, as the size and number of components increase, so does the number of fault occurrences that may drive the system to undergo critical failures. Fault detection and isolation (FDI), maintenance and repair are an increasing part of the operational every day’s tasks and they impact drastically the total cost of final products. This thesis focuses on fault detection and isolation. Among the different methods to generate diagnosis tests by taking advantage of analytical redundancy, this thesis adopts the so-called parity space approach based on analytical redundancy relations (ARRs). Given a model of the system in the form of a set of differential equations, ARRs are relations that are obtained from the model by eliminating non measured variables. This can be performed in an analytical framework using elimination theory but another way of doing this is to use structural analysis. Structural analysis is based on a structural abstraction of the model that only retains a representation of which variables are involved in which equations. Despite the rusticity of the abstract model, structural analysis provides a set of powerful tools, relying on graph theory, to analyze and infer information about the system. Interestingly, it applies indifferently to linear or nonlinear systems. The goal of this thesis is to develop effective techniques based on structural analysis for diagnosis of distributed continuous systems. In this framework, the system is decomposed into a set of subsystems according to functional, geographical or privacy constraints. The thesis is organized in two parts, highlighting the redundancies that are built into the global structural model and that can be used to generate diagnosis tests starting from the redundancies existing in the subsystem’s models and formulating and solving the optimization problem linked to the choice of a subset of diagnosis tests at the subsystems level that can lead to a set of diagnosis tests achieving maximum diagnosability for the global system. The first part takes benefit of the concept of Fault-Driven Minimal Structurally Overdetermined Set (FMSO set) that is introduced in the thesis. An FMSO set determines a subset of equations of the model with minimal redundancy from which an ARR sensitive to a set of faults can be obtained. Two solutions for generating FMSOs for the global system are presented, in a decentralized framework with supervisors at each level of a hierarchy and in a totally distributed framework. These are based on the properties of the FMSO sets for the subsystems in relation to those of the global system derived in the thesis. The second part formulates the optimization problem in a heuristic search framework and proposes three solutions based on iterating an A* algorithm combined with a function able to assess whether a global FMSO set can be achieved from the selected local FMSO sets. The concepts introduced in the thesis and the results are applied to the case study of a Reverse Osmosis Desalination Plant and a Spacecraft Attitude Determination and Control System of a Low Earth-Orbit Satellite. / Tesis

El transformador monofásico al ser una máquina eléctrica con funcionamiento continuo está propensa a fallas que se pueden producir por el envejecimiento de los materiales aislantes de la bobina o por la pérdida de las propiedades dieléctricas del aceite que actúa como refrigerante y aislante de las bobinas del transformador. Asimismo, puede darse el caso también de que por el mal funcionamiento de la máquina puedan generarse sobretensiones inadecuadas para el sistema o que por un aumento de carga se sobrecargue al transformador, que como consecuencia van disminuyendo el tiempo de vida del equipo y en el peor de los casos cuando se genera un cortocircuito externo puede provocar un colapso en el transformador dejando fuera de servicio y sin posibilidades de reparación. En este trabajo de tesis se propone el diseño de un sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado que permita supervisar el correcto funcionamiento de los transformadores monofásicos y detectar una falla o mal funcionamiento antes de que ocurra un colapso en la máquina. Para el diseño del sistema de diagnóstico de fallas basado en observadores de estado se plantea considerar un comportamiento dinámico complejo debido a la presencia de no linealidades que son difíciles de medir, lo cual implica emplear técnicas de control utilizando modelos matemáticos lineales del transformador monofásico. Para poder evaluar el desempeño del Sistema de Detección de Fallas basado en Observadores se cuenta con un prototipo para realizar pruebas con diversas fallas, donde se compararon diversos observadores resultando el Observador de orden completo el que mejor estima las variables de estado debido a que es menos sensible a la presencia del ruido. / Tesis

El objetivo general de este proyecto es determinar la importancia que tiene una ejecución adecuada en una obra de construcción, además de promover una gestión de calidad en la misma. Esto se logrará mediante la entrega de un listado de costos, herramienta útil para todo quien participe de un proyecto de construcción de viviendas en extensión. Debido a que en toda obra civil se producen errores, la determinación del costo que implican éstos sólo se ha explicado por medio de los materiales, no considerando un importante punto como lo es la mano de obra. Es por esto que en este trabajo se toman en cuenta todos los factores que influyen en el proceso de reparación de una determinada falla constructiva, ya sea desde el período de detección hasta el de reparación. Para el desarrollo de este trabajo, se realizaron distintas entrevistas con los participantes directos de una obra, además de constantes visitas a las mismas. Luego, se ejecutó un estudio estadístico de las No Conformidades más frecuentes ocurridas en el período de construcción, a través de las distintas fichas de Control de Calidad. Con esto, se logró llegar a que los defectos constructivos más importantes en una obra de construcción de viviendas en extensión. Para el cálculo de costos, se obtuvo un tiempo promedio de cada una de las fases que se observan en la reparación de cada defecto estudiado, para luego valorizarlas en pesos y U.F. El resultado final es un listado de costos (en $ y U.F.) de las principales No Conformidades ocurridas en el período de construcción de una obra de viviendas en extensión, además de un análisis y comparación entre diferentes obras de una misma empresa, y entre faenas de distintas empresas. Sobre la base de estos resultados, además de la continua observación en terreno, se presentan las principales causas que, se cree, son responsables de la constante aparición de estos errores, además de lineamientos que ayuden a disminuir estos defectos y mejorar posteriores estudios similares a este. Se concluye que las empresas constructores debiesen tomar alguna de las alternativas presentadas en esta memoria, con el fin de disminuir el considerable gasto que presentan las No Conformidades en el costo de un proyecto.

Ingeniero Civil Mecánico / Hoy en día el monitoreo de la integridad estructural ha logrado un gran interés. Detectar, localizar y cuantificar el daño en estructuras de forma eficaz, tiene un gran impacto en la seguridad y economía en distintas aplicaciones de ingeniería. Una forma de monitorear la integridad de distintos sistemas se basa en analizar su respuesta vibratoria frente a fuerzas de tipo impacto. Estos eventos son comunes en componentes aeronáuticos y elementos estructurales, y pueden ser precursores de fallas catastróficas o facilitar la aparición de grietas en el material. Por esta razón, se han desarrollado algoritmos que permiten localizar y cuantificar una fuerza de impacto, apenas esta es producida. Sin embargo, es necesario mejorar los resultados obtenidos hasta el momento y analizar la aplicación de estos métodos en estructuras más complejas. Por lo tanto, el objetivo del trabajo es desarrollar un sistema de detección, localización y cuantificación de la intensidad de los impactos en una placa de aluminio compuesta con estructura interna, a partir de un análisis de su respuesta vibratoria. Para esto, se utiliza una aproximación lineal basada en el principio de máxima entropía y además el análisis de componentes principales, el primero denotado como LME y el segundo como PCA, por sus siglas en inglés. Inicialmente, se desarrolla el algoritmo que permite la identificación y cuantificación de impactos. Dado que el algoritmo LME ha sido aplicado anteriormente para el caso de una placa de aluminio simple, se cuenta con los datos de impactos de este estudio, medidos en el Laboratorio de Vibraciones Mecánicas y Rotodinámica de la Universidad de Chile. Con estos datos se comprueba el desempeño del algoritmo LME al incorporar el método PCA. Luego, se diseña y construye un montaje experimental para una placa compuesta, el cual permite medir su respuesta vibratoria. La respuesta se obtiene a partir de las señales entregadas por sensores piezoeléctricos adheridos a la superficie de la placa. Los impactos se realizan por medio de un martillo modal, el cual tiene incorporado un sensor de fuerzas. La señal de los sensores piezoeléctricos y del sensor de fuerzas es adquirida mediante una tarjeta de adquisición de datos. La tarjeta digitaliza las señales para su procesamiento con el software MATLAB. Una vez procesados los datos, se aplica el algoritmo PCA+LME, y su desempeño se evalúa en función del error en las estimaciones de localización y magnitud de los impactos. Se obtiene entonces, para la placa simple un error de área de 0,016% y un error de fuerza de 5,94%. Mientras que para la placa compuesta se obtiene un error de área de 0,045% y un error de fuerza de 10,79%. Se concluye que el desempeño de la metodología desarrollada es validado al considerar los casos para una placa simple y una placa compuesta. Se comprueba que la incorporación del método PCA, como método para extraer parámetros característicos de la señal de respuesta, mejora las estimaciones entregadas por el algoritmo LME. Por otra parte, a pesar de obtener un pequeño aumento en el error, los resultados para la placa compuesta demuestran la efectividad de la metodología en casos más complejos, acercando el estudio a aplicaciones reales.

El área Villarrica-Chihuio situada entre las coordenadas 40°15’ y 39°15’ de latitud sur y los 72°10’ y 71°40’ de la longitud oeste, en las regiones de La Araucanía y de Los Ríos, tiene el ~6% de las fuentes termales en Chile. En este sector existe una estrecha relación espacial entre la distribución de los volcanes activos de la Zona Volcánica Sur y la Zona de Falla Liquiñe-Ofqui (ZFLO), los cuales determinan los principales controles de los sistemas geotermales en el área, la fuente de calor y la permeabilidad. El objetivo del trabajo es establecer el origen de las aguas termales e identificar el rol de las distintas fuentes de calor, mediante una caracterización geoquímica de las aguas termales y una caracterización estructural de las áreas de surgencia de las fuentes termales. Se seleccionaron once áreas termales y en función sus características se definieron dos dominios geotérmicos, a) Dominio Volcánico, asociado espacialmente al volcanismo reciente y b) Dominio Estructural, espacialmente asociado a la ZFLO. La caracterización estructural de las áreas termales, consistió en el mapeo y análisis de rasgos lineales superficiales –lineamientos-, mediante la utilización de imágenes satelitales y modelos digitales de elevación. Se calculó el parámetro Densidad de Fracturas y Fallas (DFF) a partir de la densidad de lineamientos y se obtuvo una correlación entre zonas con alta DFF y la existencia de fuentes termales. El análisis de orientación de lineamientos muestra una compatibilidad entre estos y el estado de estrés neógeno. Estos rasgos tectónicos controlarían la ubicación de las fuentes termales, la recarga y las direcciones de flujo en los sistemas geotérmicos. La caracterización geoquímica reveló que todas las aguas analizadas son sulfatadas-sódicas-(bicarbonatadas), con bajo contenido de sólidos disueltos y de cloro. El rango de temperatura superficial en el Dominio Estructural corresponde a 37-82°C, mientras que para el pH el rango es 8,9-9,7. En el Dominio Volcánico se tienen valores de temperatura entre 36°C y 70°C y de pH entre 7,8 y 8,7. Las aguas analizadas de ambos dominios corresponden a vapor calentadas. El rango de temperatura de reservorio en el Dominio Volcánico es de 125-150°C y en el Dominio Estructural es de 100-120°C. Los análisis de isótopos estables (D-18O) revelan que las aguas de ambos dominios tienen un origen puramente meteórico y no se ha producido intercambio isotópico de suficiente magnitud para ser apreciado en los diagramas isotópicos. Se presenta un modelo conceptual de los sistemas geotérmicos. El Dominio Volcánico tiene las características de un sistema geotérmico asociado fuente magmática, desde donde emergen aguas vapor calentadas. Las fuentes termales del Dominio Estructural serían el resultado de la circulación profunda (2-3 km) de aguas meteóricas en zonas de fracturas y fallas asociadas a la ZFLO y de alto flujo de calor. La química de las aguas termales de este dominio se explicaría por la interacción de los fluidos termales con rocas cristalinas. Los antecedentes proporcionados en este estudio indican que es posible el aprovechamiento del recurso geotérmico tanto para fines eléctricos como para usos directos.

Los nuevos proyectos energéticos que se planifica desarrollar en la XI región de Aysén han planteado el desafío de transportar grandes bloques de potencia a través de largas distancias, hacia los centros de consumo que se concentran en el SIC. La tecnología que permite viabilizar esto de manera eficiente es la transmisión en corriente continua en alto voltaje, conocida como HVDC (“High Voltage Direct Current”), que utiliza válvulas de tiristores para concretar la conversión AC-DC y viceversa. La tecnología HVDC se puede considerar como una tecnología madura. Sin embargo, en nuestro país es un tema nuevo que se debe abordar para entender el funcionamiento del enlace y los problemas asociados. Un aspecto importante del funcionamiento de los conversores HVDC es la ocurrencia de fallas de conmutación. Los tiristores usados en estos sistemas necesitan ser expuestos a un voltaje inverso por un tiempo suficiente para que dejen de conducir y permitir así una conmutación de corriente exitosa. Durante la falla de conmutación la transmisión de potencia es interrumpida, afectando de este modo al sistema AC conectado en el lado inversor. Esta memoria tiene como objetivo estudiar y mostrar las causas que originan las fallas de conmutación, discutir sus efectos en la calidad y seguridad de la potencia suministrada y entregar dos estrategias de mitigación de fallas de conmutación a nivel del control del enlace: la función de control VDCOL (“Voltage Dependent Current Order Limits”) y el módulo de mitigación CFPREV (“Commutation Failures Prevention”). Para lograr los objetivos planteados, se utiliza la plataforma MATLAB/SIMULINK que simula en tiempo discreto un enlace monopolar de 12 pulsos y 1000 MW (500 kV, 2 kA). A través de este enlace de prueba se estudian dos casos: sistemas AC interconectados fuertes y débiles. Ambos sistemas AC son caracterizados por su razón de cortocircuito efectivo, ESCR. Los resultados muestran que las principales causas que originan fallas de conmutación son: perturbaciones en el sistema AC conectado, especialmente las fallas monofásicas; y las operaciones de maniobra en la barra inversora. Los efectos en la calidad de la potencia suministrada dependerán de la duración de la falla de conmutación y de la razón de cortocircuito efectivo del sistema AC-DC. Con respecto a las estrategias de mitigación, se concluye que la función VDCOL ayuda a la recuperación del sistema cuando se producen las fallas de conmutación. El módulo CFPREV permite mejorar el desempeño del sistema pues mitiga las fallas de conmutación para caídas de tensión en la barra inversora, cuando ocurre una falla monofásica a tierra o una falla trifásica simétrica. Su desempeño es mejor cuando el sistema AC conectado en lado inversor es débil.

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas rotativos tienen gran importancia en la industria, debido a la existencia de diversas máquinas que utilizan este principio para su funcionamiento. En este contexto, la mantención de estos equipos es un tema que cada vez toma más peso en la industria debido a los incentivos económicos existentes por mejorar la disponibilidad de los activos de la empresa. Dentro de las técnicas de mantención existentes, la mantención predictiva se ha vuelto cada vez más atractiva con el avance de la tecnología. Esta estrategia de mantención consiste en evaluar la condición de operación de la maquina en tiempo real. Esto permite, mediante el monitoreo de ciertos parámetros, detectar una condición anormal en su funcionamiento y así intervenir en el momento preciso antes de que ocurra la falla, aumentando así la disponibilidad del activo, sin incurrir en una sobre mantención de éste. El objetivo de este trabajo es desarrollar un algoritmo inteligente que permita la identificación de fallas en un sistema rotativo, mediante la comparación con patrones de falla previamente identificados. Para la realización de este trabajo se identifican tres etapas claves; En primer lugar la adquisición de datos experimentales del sistema rotor operando bajo los modos de falla más comunes para este tipo de sistema. Luego, se crean patrones con los datos más representativos obtenidos anteriormente a fin de construir una base de datos de los modos de falla. Por último, se debe desarrollar un sistema de aprendizaje supervisado que permita, por medio de la comparación con los patrones anteriormente definidos, la identificación de la presencia de potenciales fallas en un sistema en funcionamiento. Se consideraron inicialmente 4 modos de fallas: desbalance, roce entre componentes rotatorios, picadura en pista externa del rodamiento, y falla en el rotor del motor, en donde se descartó el modo de falla del motor, ya que su falla no fue visible en las mediciones obtenidas. A partir de los otros 3 modos de falla se estudian la incidencia de distintos parámetros relevantes a fin de construir diferentes bases de datos sobre las cuales se prueba el algoritmo. Se realizaron pruebas sobre distintas bases de datos, para caso de modos de falla actuando solos como también múltiples. Se concluye que el algoritmo consigue resultados óptimos en el caso de los modos de falla individuales, mientras que para el caso de modos de falla múltiples el algoritmo tiene una menor precisión, llegando incluso a no detectar algunas fallas. Para este último caso se sugiere realizar modificaciones al algoritmo que permitan obtener resultados concluyentes.

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Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / La subducción entre la placa de Nazca y la placa Sudamericana ha presentado diversos cambios en la dirección de convergencia a lo largo de los años, generado diversas estructuras geológicas en la zona sur del país (33ºS - 46ºS), como por ejemplo, la extensa Zona de Falla Liquiñe-Ofqui (ZFLO) que corresponde a una zona de cizalle dextral activa que a lo largo de toda su extensión presenta diferentes estilos de deformación, además de la abundante presencia de edificios volcánicos que en su mayoría se encuentran activos. Uno de los volcanes más activos del país es el volcán Villarrica, centro eruptivo del Pleistoceno Medio a Holoceno, que en los últimos años ha presentado episodios de baja explosividad (hawaiiano a estromboliano), con un pequeño lago de lava casi permanente en el interior del cráter y actividad fumarólica continua. Para caracterizar el sistema de falla existente en zonas aledañas al volcán Villarrica, se realizó un estudio mediante Magnetotelúrica, método geofísico pasivo que utiliza como fuente un amplio espectro de variaciones geomagnéticas que ocurren de forma natural generando inducción electromagnética en la Tierra. La adquisición de los datos se efectuó en dos campañas, la primera en Noviembre-Diciembre de 2013 y la segunda en abril de 2014. Estos datos fueron analizados mediante un programa basado en el proceso robusto mostrado por Egbert y Booker (1986), calculándose resistividad aparente y fase, más análisis de dimensionalidad, junto con modelos de resistividad obtenidos por inversiones 2D, permitiendo un análisis de las principales estructuras existentes en profundidad. Los parámetros básicos como resistividad aparente y fase muestran una zona con estructuras resistivas (~1000 Ω m) en los primeros kilómetros y algo más conductoras en profundidad (~50 Ω m). Se calcularon flechas de inducción, strike geoeléctrico y tensor de fase, mostrando un comportamiento 3-D para los periodos asociados a menor profundidad. A mayores periodos, estos parámetros se ven influenciados por la presencia de sistemas magmáticos sobre todo cerca de la cadena volcánica Villarrica-Lanín. Mediante inversiones 2D, una correspondiente a un perfil orientado E-O, fue posible caracterizar parte de la Zona de Falla Liquiñe-Ofqui que pasa por los costados del lago Caburgua. Otra inversión 2D para un perfil norte-sur, apreciando varias estructuras en superficie alineadas en sentido E-O y un cuerpo conductor a una profundidad de 20 km que se extiende en superficie hasta los 4 km, situado en la parte sur del perfil.