A grande aplicação residencial de motores de indução monofásicos é em sistemas de refrigeração doméstica/comercial. O desenvolvimento de motores mais eficientes, associado ao controle de velocidade, fez com que, dentro os mais diversos tipos de motores, o motor síncrono de imã permanente tornasse objeto para a criação de uma metodologia de projeto, construção e realização de ensaios. Assim, para adequar o projeto do motor MSIP para substituição do motor de indução monofásico, foram feitos estudos de como aproveitar as laminações já existentes, através de definições das características básicas do estator e do rotor. O imã permanente a ser utilizado foi definido principalmente em função do custo do material e de suas propriedades magnéticas estarem adequadas à necessidade do projeto. O projeto magnético foi feito para maximizar o fluxo nos dentes, considerando as características construtivas e a curva de trabalho dos imãs. O projeto elétrico, a partir de um circuito equivalente do motor, permitiu explicar as relações de torque, corrente e tensão do motor MSIP, bem como a definição das bobinas do motor, quanto ao espaçamento destas entre as ranhuras, o cálculo do número de espiras e o diâmetro dos fios em função da área permitida pela ranhura da lamina do estator. Com as informações obtidas após o cálculo do motor MSIP, passou-se a construção de um protótipo constituído pelo estator, rotor e um sistema de suporte que permitisse o levantamento dos parâmetros do motor. Os parâmetros necessários foram definidos levando-se em consideração a necessidade para o projetista do conversor elétrico, sendo estes dados utilizados em simulações computacionais para a determinação do projeto do acionador. Com isto, os ensaios do motor MSIP permitiram o levantamento dos seguintes parâmetros: resistência, indutância, curvas de tensão de fase e linha da eletromotriz por velocidade em diversas rotações, momento de inércia e atrito viscoso, concluindo assim a proposta deste trabalho, e finalizando a metodologia para o motor MSIP. / A major residential application of single-phase induction motors is in domestic refrigeration. The development of more efficient motors, associated with speed control, has made that, among the most diverse types of electrical motors, the permanent magnet synchronous machine becomes an object of study for a design, construction and testing methodology. Therefore, to suit the PMSM design to replace the single phase induction motor, studies were made on how to take advantage of existing laminations, through definitions of the basic characteristics of the stator and rotor. The permanent magnet used was defined mainly as a function of the cost of the material and its magnetic properties since they suit the design requirements. PMSM magnetic design was made to maximize the magnetic flow in the slots considering the constructive characteristics and the magnet curve. The electric design, starting from a motor equivalent circuit, allowed to explain torque, current and voltage of the PMSM motor, as well as the definition of the motor windings regarding their filling in the slots, the calculation of coil number and the wire diameter as a function of the area allowed by the stator lamination slot. With the information obtained after the PMSM motor calculation, a prototype construction was initiated consisting of the stator, rotor and a support system to allow determining the motor parameters. The required parameters were defined taking into account the need the designer had of an electronic drive had. This data was used in computational simulations to determine the electronic driver design. After this, the motor testing allowed to identify the parameters, namely: winding resistance and inductance, various speed curves versus phase to phase and line voltage for back emf´s, moment of inertia and viscous friction, thus completing this work proposal, finalizing the project methodology for PMSM motor.

O estudo das condições de operação de um motor de indução em um ambiente industrial é indispensável, tendo em vista que eventuais problemas podem contribuir para um prejuízo na produção, ou ainda para custos adicionais relacionados à falta de manutenção dos equipamentos. Uma das principais falhas que podem ocorrer em um motor de indução do tipo gaiola de esquilo durante sua operação é o rompimento de uma ou mais barras que compõem o seu rotor. Apresenta-se neste trabalho um novo método para auxiliar na detecção de barras quebradas em um rotor tipo gaiola de esquilo, para um motor de grande porte, durante sua operação em regime permanente. A partir de um modelo matemático foi possível avaliar o rompimento de barras do rotor, detectando em uma posição específica, a variação da densidade de fluxo magnético resultante, produzida pela contribuição do fluxo de dispersão de cada barra do rotor, bem como pelo fluxo criado pelas correntes do estator. Um sensor de efeito Hall é instalado entre duas bobinas do estator, a fim de representar a posição onde é realizado o cálculo da densidade de fluxo magnético resultante pela modelagem matemática proposta. O sinal gerado pelo sensor a partir de uma falha é comparado com aquele obtido a partir do rotor saudável, para posterior análise. O trabalho sugere ainda a aplicação do método de detecção da falha em conjunto com uma técnica de inteligência artificial baseada nas redes neurais artificiais, a fim de contribuir para o diagnóstico da falha e estimativa do número de barras rompidas. Os resultados obtidos da simulação, bem como os dados obtidos durante o ensaio são apresentados e usados na validação do modelo matemático desenvolvido. / The study of operational conditions of an induction motor in an industrial environment is indispensable, once eventual problems can contribute for production losses, or still for additional costs related to the lack of equipments maintenance. Among the principal faults, in a squirrel cage induction motor can occur the breaking of one or more rotor bars. This work presents a new method in aid of detection of broken bars in a large squirrel cage induction motor during its operation in steady-state. A mathematical model is used to evaluate the broken rotor bars, detecting in a specific point, the resulting magnetic flux density produced by the leakage flux created by the rotor and stator currents. The Hall effect sensor is installed between two stator coils, in order to represent the position where the resulting magnetic flux density is calculated by the proposed mathematical model. The signal detected in the sensor during a fault, is compared to the obtained result of the magnetic flux density from a healthy rotor for analysis. The work still suggests the application of the artificial intelligence technique, based on artificial neural networks in the mathematical model, in order to aid on the fault detection and estimate of the number of broken bars. The simulation and experimental results are presented in order to validate the developed mathematical model.

Este trabalho apresenta uma alternativa ao controle vetorial de motores de indução, sem a utilização de sensores para realimentação da velocidade mecânica do motor. Ao longo do tempo, diversas técnicas de controle vetorial têm sido propostas na literatura. Dentre elas está a técnica de controle por orientação de campo (FOC), muito utilizada na indústria e presente também neste trabalho. A principal desvantagem do FOC é a sua grande sensibilidade às variações paramétricas da máquina, as quais podem invalidar o modelo e as ações de controle. Nesse sentido, uma estimativa correta dos parâmetros da máquina, torna-se fundamental para o acionamento. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um estimador baseado em um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS) para o controle de velocidade do motor de indução trifásico em um acionamento sem sensores. Pelo fato do acionamento em malha fechada admitir diversas velocidades de regime estacionário para o motor, uma nova metodologia de treinamento por partição de frequência é proposta. Ainda, faz-se a validação do sistema utilizando a orientação de campo magnético no referencial de campo de entreferro da máquina. Simulações para avaliação do desempenho do estimador mediante o acionamento vetorial do motor foram realizadas utilizando o programa Matlab/Simulink. Para a validação prática do modelo, uma bancada de testes foi implementada; o acionamento do motor foi realizado por um inversor de frequência do tipo fonte de tensão (VSI) e o controle vetorial, incluindo o estimador neuro-fuzzy, foi realizado pelo pacote de tempo real do programa Matlab/Simulink, juntamente com uma placa de aquisição de dados da National Instruments. / This work presents an alternative sensorless vector control of induction motors. Several techniques for induction motor control have been proposed in the literature. Among these is the field oriented control (FOC), strongly used in industries and also in this work. The main drawback of the FOC technique is its sensibility to deviations of the parameters of the machine, which can deteriorate the control actions. Therefore, an accurate determination of the machines parameters is mandatory to the drive system. This work proposes the development of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) estimator to control the angular speed of a three-phase induction motor in a sensorless drive. In a closed loop configuration, several speed commands can be imposed to the motor. Thus, a new frequency partition training of ANFIS is proposed. Moreover, the ANFIS speed estimator is validated in a magnetizing flux oriented control scheme. Simulations to evaluate the performance of the estimator considering the vector drive system were done by the Matlab/Simulink. To determine the benefits of the proposed model a practical system was implemented using a voltage source inverter (VSI) and the vector control including the ANFIS estimator, carried out by the Real Time Toolbox from Matlab/Simulink and a data acquisition card from National Instruments.

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o controle de velocidade sensorless aplicado ao Motor de Indução Trifásico (MIT) visando sobretudo, melhorar o desempenho da máquina de indução em aplicações na região de baixa frequência de operação. Para tanto, propõe-se uma abordagem utilizando a técnica de controle Direct Torque Control (DTC) com Space Vector Modulation (SVM) em conjunto com o Observador de Fluxo com Modelo de Tensão e Corrente (OFMTC), o que possibilita a estimação precisa da posição do vetor de fluxo do estator em baixa velocidade. Para a estimativa da velocidade do rotor é utilizado a estratégia Model Reference Adaptive System (MRAS) com mecanismo de adaptação fuzzy, a fim de se diminuir a sensibilidade aos parâmetros da máquina. O desempenho da estratégia de controle de velocidade sensorless proposta é testada em simulações com diferentes condições de operação buscando reproduzir alguns dos problemas encontrados em aplicações práticas, utilizando o software Matlab. Os resultados obtidos foram condizentes com resultados encontrados na literatura, comprovando o bom desempenho do sistema de controle de velocidade proposto. / This work deals with the sensorless speed control for Three-phase Induction Motor in order to improve its operation at low speed and low frequency. At first, a Direct Torque Control employing Space Vector Pulse with Modulation (SVPWM) based on Flux Observer (voltage and current model) is studied and evaluated due to its high accuracy of estimating the stator-flux at low speed. The Model Adaptive Reference (MRAS) with Fuzzy Controler is chosen in order to estimate the rotor speed. This choice is based on its capability of high performance during Three-phase Induction Motor operation even if the machines parameters and the load change during the operation. At last, some simulations with diferent operational conditions at low speed are carried out in order to test the sensorless control. The results show a good perfomance and agreed with the results shown in recent papers.

A grande aplicação residencial de motores de indução monofásicos é em sistemas de refrigeração doméstica/comercial. O desenvolvimento de motores mais eficientes, associado ao controle de velocidade, fez com que, dentro os mais diversos tipos de motores, o motor síncrono de imã permanente tornasse objeto para a criação de uma metodologia de projeto, construção e realização de ensaios. Assim, para adequar o projeto do motor MSIP para substituição do motor de indução monofásico, foram feitos estudos de como aproveitar as laminações já existentes, através de definições das características básicas do estator e do rotor. O imã permanente a ser utilizado foi definido principalmente em função do custo do material e de suas propriedades magnéticas estarem adequadas à necessidade do projeto. O projeto magnético foi feito para maximizar o fluxo nos dentes, considerando as características construtivas e a curva de trabalho dos imãs. O projeto elétrico, a partir de um circuito equivalente do motor, permitiu explicar as relações de torque, corrente e tensão do motor MSIP, bem como a definição das bobinas do motor, quanto ao espaçamento destas entre as ranhuras, o cálculo do número de espiras e o diâmetro dos fios em função da área permitida pela ranhura da lamina do estator. Com as informações obtidas após o cálculo do motor MSIP, passou-se a construção de um protótipo constituído pelo estator, rotor e um sistema de suporte que permitisse o levantamento dos parâmetros do motor. Os parâmetros necessários foram definidos levando-se em consideração a necessidade para o projetista do conversor elétrico, sendo estes dados utilizados em simulações computacionais para a determinação do projeto do acionador. Com isto, os ensaios do motor MSIP permitiram o levantamento dos seguintes parâmetros: resistência, indutância, curvas de tensão de fase e linha da eletromotriz por velocidade em diversas rotações, momento de inércia e atrito viscoso, concluindo assim a proposta deste trabalho, e finalizando a metodologia para o motor MSIP. / A major residential application of single-phase induction motors is in domestic refrigeration. The development of more efficient motors, associated with speed control, has made that, among the most diverse types of electrical motors, the permanent magnet synchronous machine becomes an object of study for a design, construction and testing methodology. Therefore, to suit the PMSM design to replace the single phase induction motor, studies were made on how to take advantage of existing laminations, through definitions of the basic characteristics of the stator and rotor. The permanent magnet used was defined mainly as a function of the cost of the material and its magnetic properties since they suit the design requirements. PMSM magnetic design was made to maximize the magnetic flow in the slots considering the constructive characteristics and the magnet curve. The electric design, starting from a motor equivalent circuit, allowed to explain torque, current and voltage of the PMSM motor, as well as the definition of the motor windings regarding their filling in the slots, the calculation of coil number and the wire diameter as a function of the area allowed by the stator lamination slot. With the information obtained after the PMSM motor calculation, a prototype construction was initiated consisting of the stator, rotor and a support system to allow determining the motor parameters. The required parameters were defined taking into account the need the designer had of an electronic drive had. This data was used in computational simulations to determine the electronic driver design. After this, the motor testing allowed to identify the parameters, namely: winding resistance and inductance, various speed curves versus phase to phase and line voltage for back emf´s, moment of inertia and viscous friction, thus completing this work proposal, finalizing the project methodology for PMSM motor.

Esta tese consiste em desenvolver um sistema de identificação e classificação de falhas em motores de indução trifásico. As falhas analisadas foram simuladas em laboratório e envolvem problemas elétricos, como curto-circuito no estator, e problemas mecânicos, como barras quebradas no rotor. O sistema computacional proposto é formado pela transformada discreta wavelet, pelo cálculo de variáveis estatísticas e por redes neurais artificiais. A partir dos sinais elétricos da corrente do estator, a transformada wavelet produz os coeficientes característicos das falhas, os quais são usados no cálculo das variáveis estatísticas, como a média, root mean square, skewness e kurtosis. Estes valores são transmitidos como dados de entrada para as redes neurais que identificam as falhas e classificam a natureza das mesmas. Por fim, resultados obtidos visam validar a metodologia sugerida, que buscou nos sistemas inteligentes soluções eficazes para diagnosticar falhas em máquinas elétricas. / This thesis consists in developing a system for the identification and classification of faults in three-phase electric motors. The faults were analyzed and simulated in the laboratory and involve electrical problems, such as short circuit in the stator, and mechanical problems, such as broken rotor bars. The proposed computer system is formed by discrete wavelet transform, by calculation of statistical variables and for artificial neural networks. From the electrical signals of the stator current, the wavelet transform produces characteristic coefficients of faults, which are extracted by calculating of statistics variables, such as mean, root mean square, skewness and kurtosis. These values are passed as input to the neural networks that identify faults and the severity of it. Finally, results aimed at validating the methodology suggested that sought effective solutions in intelligent systems to diagnose faults in electrical machines.

Este trabalho apresenta uma alternativa ao controle vetorial de motores de indução, sem a utilização de sensores para realimentação da velocidade mecânica do motor. Ao longo do tempo, diversas técnicas de controle vetorial têm sido propostas na literatura. Dentre elas está a técnica de controle por orientação de campo (FOC), muito utilizada na indústria e presente também neste trabalho. A principal desvantagem do FOC é a sua grande sensibilidade às variações paramétricas da máquina, as quais podem invalidar o modelo e as ações de controle. Nesse sentido, uma estimativa correta dos parâmetros da máquina, torna-se fundamental para o acionamento. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um estimador baseado em um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS) para o controle de velocidade do motor de indução trifásico em um acionamento sem sensores. Pelo fato do acionamento em malha fechada admitir diversas velocidades de regime estacionário para o motor, uma nova metodologia de treinamento por partição de frequência é proposta. Ainda, faz-se a validação do sistema utilizando a orientação de campo magnético no referencial de campo de entreferro da máquina. Simulações para avaliação do desempenho do estimador mediante o acionamento vetorial do motor foram realizadas utilizando o programa Matlab/Simulink. Para a validação prática do modelo, uma bancada de testes foi implementada; o acionamento do motor foi realizado por um inversor de frequência do tipo fonte de tensão (VSI) e o controle vetorial, incluindo o estimador neuro-fuzzy, foi realizado pelo pacote de tempo real do programa Matlab/Simulink, juntamente com uma placa de aquisição de dados da National Instruments. / This work presents an alternative sensorless vector control of induction motors. Several techniques for induction motor control have been proposed in the literature. Among these is the field oriented control (FOC), strongly used in industries and also in this work. The main drawback of the FOC technique is its sensibility to deviations of the parameters of the machine, which can deteriorate the control actions. Therefore, an accurate determination of the machines parameters is mandatory to the drive system. This work proposes the development of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) estimator to control the angular speed of a three-phase induction motor in a sensorless drive. In a closed loop configuration, several speed commands can be imposed to the motor. Thus, a new frequency partition training of ANFIS is proposed. Moreover, the ANFIS speed estimator is validated in a magnetizing flux oriented control scheme. Simulations to evaluate the performance of the estimator considering the vector drive system were done by the Matlab/Simulink. To determine the benefits of the proposed model a practical system was implemented using a voltage source inverter (VSI) and the vector control including the ANFIS estimator, carried out by the Real Time Toolbox from Matlab/Simulink and a data acquisition card from National Instruments.

O uso da tecnologia sensorless é uma tendência crescente para acionamentos industriais aplicados em máquinas elétricas. A estimação dos parâmetros elétricos e mecânicos envolvidos com o controle da máquina elétrica são utilizados freqüentemente para se evitar medir todas as variáveis envolvidas no processo. A redução de custos em acionamentos industriais, além do incremento da robustez do sistema, são algumas das vantagens do uso de técnicas sensorless. Este trabalho propõe o uso de lógica fuzzy para estimar a velocidade de rotação de motores de indução trifásicos. Estão presentes resultados de simulações computacionais e comparação com outras técnicas inteligentes para validação da abordagem apresentada. / The use of sensorless technologies is an increasing tendency on industrial drives for electrical machines. The estimation of electrical and mechanical parameters involved with the electric machine control is used very frequently in order to avoid measurement of all variables from this process. The cost reduction may also be considered in industrial drives, besides the increasing robustness of the system, as advantages of the use of sensorless technologies. This work proposes the use of fuzzy logic to estimate the speed in three-phase induction motors. Simulation results are presented to validate the proposed approach and comparative analyses with other intelligent techniques are also outlined.

O objetivo desta tese consiste na implementação de sistemas inteligentes para monitoramento e diagnósticos de falhas ocorrentes em motores de indução trifásicos. Para tanto, desenvolveu-se uma bancada de experimentos que visa ensaios de falhas relacionados a curto-circuito entre as bobinas do enrolamento de estator, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e, finalmente, rolamentos defeituosos. Mais especificamente, o enfoque principal consiste na proposição de uma abordagem neural de detecção de quebras nas barras de rotores de motores de indução trifásicos mediante a análise do espectro de frequência e aplicação de técnicas de análise das componentes principais. Considerou-se o acionamento do motor de indução tanto pela tensão de alimentação da rede quanto por inversor trifásico em diferentes frequências, operando sob diversas condições de torque de carga para a avaliação da metodologia. / The objective of this thesis consists of the implementation of intelligent systems for three-phase induction motors fault diagnosis and condition monitoring. Therefore, an experimental test stand for stator winding inter-turn short circuit faults, broken rotor bar in squirrel cage and, finally, defective wheel bearing has been designed. The main focus is to propose a neural network approach, which uses spectral frequency analysis and principal component analysis techniques to detect broken rotor bar in squirrel cage induction motor. Induction motor operating at different load torque conditions and supplied with sinusoidal voltage supply and three-phase inverter at different frequency was considered in the experiment for methodology evaluation.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Resumo - Eduardo Cavalca.pdf: 79555 bytes, checksum: 90f9b6daaa60256b513924a9a0d2ecdd (MD5) Previous issue date: 2013-07-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Model-based predictive control (MPC) approaches has been studied in a wide range of areas, as petrochemical and aerospace, mainly due to its capability of easily deal with physical and operational constraints. Moreover, such approaches can be extended for the application in control loops with nonlinear and time-variant systems. At this context, the objective of this work is to study some MPC techniques in order to evaluate their applicability to control a three-phase induction motor. More specifically, it was analyzed a Dynamic Matrix Control (DMC) approach, as well as two MPC techniques that uses state space modeling. The control algorithms in question and the nonlinear mathematical model of the motor in study were programmed using the free computing environment Scilab-Xcos®. The models of the threephase motor used in the MPC were obtained by a system identification method (based on the step response of the classical non-linear motor model) and by a phenomenological three-phase modeling approach. Multiple simulations have been performed considering variations in load and speed reference. Besides, some discussions are made related to the influence of the control parameters and about the computational cost. Finally, the results showed that the use of MPC techniques in induction machines has great potential. / Abordagens de controle preditivo baseado em modelo (MPC, do inglês model-based predictive control) têm sido estudadas em diversas áreas, como petroquímica e aeroespacial, principalmente devido à capacidade que apresentam em tratar restrições físicas e operacionais de forma simples. Além disso, tais abordagens podem ser estendidas para aplicação em malhas de controle de sistema não lineares e variantes no tempo. Nesse contexto o objetivo desse trabalho é estudar algumas técnicas de MPC a fim de avaliar sua aplicabilidade no controle de um motor de indução trifásico. Mais especificamente, é analisada a técnica DMC (do inglês Dynamic Matrix Control) bem como duas técnicas de MPC que utilizam modelos no espaço de estados. Os algoritmos de controle em questão e o modelo matemático não linear do motor estudado foram programados utilizando o Scilab-Xcos®, um ambiente de processamento de código livre. Os modelos do motor de indução trifásico utilizados no MPC foram obtidos por meio de um método de identificação de sistemas (baseado na resposta ao degrau do modelo clássico não linear do motor) e por uma abordagem de modelagem fenomenológica trifásica. Múltiplas simulações foram realizadas, considerando variações de carga e referência de velocidade, sendo então apresentadas algumas discussões sobre a influência dos parâmetros de controle e custo computacional. Finalmente, os resultados obtidos demonstraram que a aplicação de técnicas MPC em máquinas de indução apresenta um grande potencial.