Tesis por compendio / [ES] Hay dos aspectos cruciales a la hora de operar motores de inducción en la industria: la estimación de su eficiencia (para minimizar el consumo de energía) y su diagnóstico (para evitar paradas intempestivas y reducir los costes de mantenimiento). Para estimar la eficiencia del motor es necesario medir tensiones y corrientes. Por ello, resulta conveniente y muy útil utilizar la misma corriente para diagnosticar también el motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). En este sentido, la técnica MCSA más adecuada es aquella basada en la localización de armónicos de fallo en el espectro de la corriente de línea del estator en régimen permanente, pues esta es la condición de funcionamiento de la mayoría de los motores de inducción de la industria. Por otro lado, dado que la frecuencia de estos armónicos depende de la velocidad, resulta imprescindible conocer esta magnitud con precisión, ya que esto permite localizar correctamente los armónicos de fallo, y, por tanto, reducir las posibilidades de falsos positivos/negativos. A su vez, una medida precisa de la velocidad también permite calcular con precisión la potencia mecánica, lo que se traduce en una estimación más exacta del rendimiento. Por último, para adaptarse a las necesidades de la Industria 4.0, en la que se monitoriza continuamente un gran número de motores, la velocidad también debe ser obtenida de manera no invasiva, automática y para cualquier motor de inducción. A este respecto, dado que la medición precisa de la velocidad a través de un encóder es invasiva y costosa, las técnicas de estimación de velocidad sin sensores (SSE en inglés) se convierten en la mejor opción. En la primera parte de esta tesis se realiza un análisis exhaustivo de las familias de técnicas SSE presentes en la literatura técnica. Como se demuestra en ella, aquellos métodos basados en armónicos de ranura (RSHs en inglés) y en armónicos laterales de frecuencia rotacional (RFSHs) son potencialmente los únicos que pueden satisfacer todos los requisitos mencionados anteriormente. Sin embargo, como también se demuestra en esta parte, y hasta esta tesis, siempre había existido un compromiso entre la precisión (característica de los RSHs) y la aplicabilidad general del método (característica de los RFSHs). En la segunda parte, y núcleo de esta tesis, se presenta una metodología que acaba con este compromiso, proporcionando así el primer método de estimación de velocidad preciso, general, no invasivo y automático para el diagnóstico en estado estacionario MCSA y la estimación de la eficiencia de motores de inducción que operan en un contexto de Industria 4.0. Esto se consigue desarrollando una novedosa técnica basada en RSHs que, por primera vez en la literatura técnica, elimina la necesidad de conocer/estimar el número de ranuras del rotor, lo que había impedido hasta la fecha que estos métodos fueran de aplicación general. Esta técnica proporciona además un procedimiento fiable y automático para localizar la familia de RSHs en el espectro de la corriente de línea de un motor de inducción. De igual forma y sin la ayuda de un experto, la técnica es capaz de determinar los parámetros necesarios para estimar la velocidad a partir de los RSHs, utilizando medidas tomadas en régimen estacionario. La metodología es validada utilizando motores con diferentes características y tipos de alimentaciones, empleando para ello simulaciones, pruebas de laboratorio y 105 motores industriales. Además, se muestra un caso de aplicación industrial en el que el algoritmo desarrollado se implementa en un sistema de monitorización continua mediante MCSA, lo que acaba conduciendo al descubrimiento de un nuevo fallo en motores sumergibles de pozo profundo: el desgaste de los anillos de cortocircuito. Por último, se presenta una segunda aplicación directa para este tipo de motores derivada del procedimiento de detección de RSHs: el uso de estos armónicos para diagnosticar, en fase temprana, cortocircuitos entre espiras. / [CA] Hi ha dos aspectes crucials a l'hora d'operar motors d'inducció en la indústria: l'estimació de la seua eficiència (per a minimitzar el consum d'energia) i el seu diagnòstic (per a evitar parades intempestives i reduir els costos de manteniment). Per a estimar l'eficiència del motor és necessari mesurar tensions i corrents. Per això, resulta convenient i molt útil utilitzar el mateix corrent per a diagnosticar també el motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). En aquest sentit, la tècnica MCSA més adequada és aquella basada en la localització d'harmònics de fallada en l'espectre del corrent de línia de l'estator en règim permanent, ja que aquesta és la condició de funcionament de la majoria dels motors d'inducció de la indústria. D'altra banda, atés que la freqüència d'aquests harmònics depén de la velocitat, resulta imprescindible conéixer aquesta magnitud amb precisió, ja que això permet localitzar correctament els harmònics de fallada i, per tant, reduir les possibilitats de falsos positius/negatius. Al seu torn, una mesura precisa de la velocitat també permet calcular amb precisió la potència mecànica, la qual cosa es tradueix en una estimació més exacta del rendiment. Finalment, per a adaptar-se a les necessitats de la Indústria 4.0, en la qual es monitora contínuament un gran nombre de motors, la velocitat també ha de ser obtinguda de manera no invasiva, automàtica i per a qualsevol motor d'inducció. En aquest sentit, atès que el mesurament precís de la velocitat a través d'un encóder és invasiva i costosa, les tècniques d'estimació de velocitat sense sensors (SSE en anglés) es converteixen en la millor opció. En la primera part d'aquesta tesi es realitza una anàlisi exhaustiva de totes les famílies de tècniques SSE presents en la literatura tècnica. Com es demostra en ella, aquells mètodes basats en harmònics de ranura (RSHs en anglès) i harmònics laterals de freqüència rotacional (RFSHs en anglés) són els més prometedors, ja que son potencialment els únics que poden satisfer tots els requisits esmentats anteriorment. No obstant això, com també es demostra en aquesta part, i fins a aquesta tesi, sempre havia existit un compromís entre la precisió (característica dels RSHs) i l'aplicabilitat general del mètode (característica dels RFSHs). En la segona part, i nucli d'aquesta tesi, es presenta una metodologia que acaba amb aquest compromís, proporcionant així el primer mètode d'estimació de velocitat precís, general, no invasiu i automàtic per al diagnòstic en estat estacionari MCSA i l'estimació de l'eficiència de motors d'inducció que operen en un context d'Indústria 4.0. Això s'aconsegueix desenvolupant una nova tècnica basada en RSHs que, per primera vegada en la literatura tècnica, elimina la necessitat de conéixer/estimar el nombre de ranures del rotor, cosa que havia impedit fins avui que aquests mètodes foren d'aplicació general. Aquesta tècnica proporciona a més un procediment fiable i automàtic per a localitzar la família de RSHs en l'espectre del corrent de línia d'un motor d'inducció. De la mateixa forma i sense l'ajuda d'un expert, la tècnica és capaç de determinar els paràmetres necessaris per a estimar la velocitat a partir dels RSHs, utilitzant mesures preses en règim estacionari. La metodologia és validada utilitzant motors amb diferents característiques i condicions d'alimentació, emprant per a això simulacions, proves de laboratori i 105 motors industrials. A més, es mostra un cas real d'aplicació industrial en el qual l'algoritme desenvolupat és implementat en un sistema de monitoratge continu mitjançant MCSA, la qual cosa acaba conduint al descobriment d'una nova fallada en motors submergibles de pou profund: el desgast dels anells de curtcircuit. Finalment, es presenta una segona aplicació directa per a aquest tipus de motors derivada del procediment de detecció de RSHs: l'ús d'aquests harmònics per a diagnosticar, en fase primerenca, curtcircuits entre espires. / [EN] There are two crucial aspects when operating induction motors in industry: efficiency estimation (to minimize energy consumption) and diagnosis (to avoid untimely outages and reduce maintenance costs). To estimate the motor's efficiency, it is necessary to measure voltages and currents. Hence, it is convenient and very useful using the same current to also diagnose the motor (Motor Current Signature Analysis: MCSA). In this regard, the most suitable MCSA technique is that based on locating fault harmonics in the spectrum of the stator line current under steady-state, as this is the operating condition of most induction motors in industry. Since the frequency of these harmonics depends on the speed, it becomes essential to be able to know this magnitude with precision, as this makes it possible to correctly locate the fault harmonics, and therefore, reduce the chances of false positives/negatives. In turn, an accurate speed information also allows to calculate the mechanical power with precision, which results in a more accurate estimation of the motor performance. Finally, to adapt to the needs of 4.0 Industry, where large numbers of motors are continuously monitored, the speed must not only be obtained very accurately, but also non-invasively, automatically (without the need for an expert) and for any induction motor. In this regard, since precise speed measurement through a shaft sensor is invasive and expensive, Sensorless Speed Estimation (SSE) techniques become the best option. The first part of this thesis conducts a thorough analysis of all the families of SSE techniques present in the technical literature. As demonstrated therein, those techniques based on Slotting and Rotational Frequency Sideband Harmonics are the most promising, as they can potentially meet all the aforementioned requirements. However, as also proved in this part, and up to this thesis, there had always been a trade-off between accuracy, characteristic of Rotor Slot Harmonics (RSHs), and general applicability, characteristic of Rotational Frequency Sideband Harmonics (RFSHs). The second part, and core of this thesis, presents a methodology that ends with this trade-off between accuracy and general applicability, thus providing the first precise, general, noninvasive and automatic speed estimation method for MCSA steady-state diagnosis and efficiency estimation of induction motors that operate in a 4.0 Industry context. This is achieved by developing a novel RSH-based technique that, for the first time in technical literature, eliminates the need to know/estimate the number of rotor slots, which had so far prevented these techniques to be generally applicable. This technique also provides a reliable and automatic procedure to, from among the high number of significant harmonics present in the spectrum of the line current of an induction motor, locate the RSHs family. Also automatically and without the help of an expert, the technique is able to determine the parameters needed to estimate speed from RSHs, using only measurements taken during the motor normal operation at steady-state. The methodology is validated using motors with different characteristics and supply conditions, by simulations, lab tests and with 105 industrial motors. Furthermore, a real industrial case of application is shown as well, where the speed estimation algorithm is implemented in a continuous motor condition monitoring system via MCSA, which eventually leads to the discovery of a new fault in deep-well submersible motors: the wear of end-rings. Finally, a second direct application derived from the reliable and automatic procedure to detect RSHs is presented: the use of these harmonics to diagnose early-stage inter-turn faults in induction motors of deep-well submersible pumps. / Bonet Jara, J. (2023). A precise, General, Non-Invasive and Automatic Speed Estimation Method for MCSA Steady-State Diagnosis and Efficiency Estimation of Induction Motors in the 4.0 Industry [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194269 / Compendio

[ES] Las bombas hidráulicas son el núcleo de muchos procesos en la industria y el sector servicios. Conviene tener en cuenta que los motores eléctricos son responsables del 69% del consumo de energía eléctrica en la industria, siendo en torno a un 22% de motores utilizados para el accionamiento de bombas. Los fallos de estas bombas pueden provocar averías en el proceso y, por lo tanto, implican altos costes económicos para el operador de la planta. Además, un funcionamiento defectuoso de las bombas conlleva una reducción de la eficiencia energética de la planta. De forma habitual, se utilizan principalmente dos tipos de estrategias orientadas al mantenimiento de maquinaria. Una estrategia de mantenimiento (mantenimiento preventivo) consiste en la sustitución de las piezas desgastadas en un intervalo de tiempo fijo. Este tipo de estrategia presenta muchas desventajas asociadas a la escasa optimización en el uso de los recursos y al consiguiente impacto económico. Por otro lado, la estrategia basada en la condición del equipo (mantenimiento basado en la condición) liga el reemplazo de las piezas desgastadas al estado del equipo, el cual es monitorizado a través de señales adquiridas mediante sensores. Sin embargo, el uso de sensores tiene algunos inconvenientes, como costes de inversión adicionales, posibles problemas en el montaje del sensor y posibles fallos del mismo. El análisis de la señal de corriente no se ha utilizado de forma habitual en la práctica para evaluar el estado de la bomba, aunque en muchas aplicaciones se dispone de sensores de corriente ya instalados que se podrían utilizar a tal fin. Se ha demostrado que técnicas basadas en el análisis de la corriente resultan de gran utilidad para diagnosticar varios tipos de fallos en motores eléctricos. De hecho, el análisis de la firma de corriente del motor se utiliza hoy en día ampliamente en la industria, especialmente para el diagnóstico de fallos en motores de inducción. En la presente tesis, se evalúa la utilización de la técnica de análisis de corrientes para el diagnóstico de fallos típicos relacionados con las bombas en diferentes aplicaciones. Se investigan tres tipos de bombas diferentes: bombas en línea de rotor húmedo, bombas de rotor seco y bombas sumergibles. En la tesis se han adaptado diversas técnicas, previamente empleadas para la detección de fallos en motores, al diagnóstico de fallos en la propia bomba. Los resultados indican que fallos como obstrucción de la bomba, fisura del impulsor y desgaste de los cojinetes influyen especialmente en dos frecuencias del espectro de corriente, las cuales pueden utilizarse como base de estrategias de mantenimiento basadas en la condición. En concreto, en las bombas de rotor húmedo, estos dos indicadores de fallo varían sensiblemente en función del punto de carga hidráulica de la bomba. Con la ayuda de un método de extracción de características basado en la motor reference frame theory, se demuestra que las mencionadas frecuencias pueden analizarse en tiempo real en un entorno industrial. Además, se presentan directrices para la monitorización en la nube y se valida con la ayuda de ensayos de laboratorio. Adicionalmente, se demuestra que los fallos son también detectables al analizar la corriente de arranque mediante herramientas de descomposición tiempo-frecuencia. Este hito no se había abordado anteriormente en la literatura técnica del área en lo referente a la detección de fallos en bombas. En conclusión, los resultados de este trabajo demuestran que los métodos de diagnóstico basados en la corriente pueden detectar con éxito diversos tipos de fallo en bombas, lo cual constituye un punto de gran interés para las industrias que utilicen estos activos en sus procesos. / [CA] Les bombes hidràuliques són el nucli de molts processos en la indústria i en el sector dels serveis. Cal mencionar que els motors elèctrics són responsables del 69% del consum de la energia elèctrica en la indústria, sent al voltant del 22% dels motors utilitzats per l'accionament de bombes. Les fallades d'aquestes bombes poden causar avaries en els processos, i per tant, representen un alt cost econòmic per a l'operador de la planta. A més a més, un funcionament defectuós en les bombes representa una reducció de l'eficiència energètica de la planta. De manera habitual, s'utilitzen principalment dos tipus d'estratègies orientades al manteniment de la maquinària. Una estratègia de manteniment (manteniment preventiu) consisteix en la canvi de les peces desgastades en un interval fixe de temps. Aquest tipus d'estratègia presenta molts desavantatges associats a la reduïda optimització en el ús dels recursos i el seu impacte econòmic. D'altra banda, la estratègia basada en la condició dels equipaments (manteniment basat en la condició) enllaça la substitució de les peces desgastades al estat de l'equip, el qual es monitoritzat per mig de senyals adquirides per sensors. No obstant això, el ús de sensors té alguns inconvenients com costos d'inversió addicionals, possibles problemes al muntatge i possibles fallades. L'anàlisi dels senyals de corrent no s'utilitzen de manera habitual en la pràctica per avaluar l'estat de la bomba, encara que en moltes aplicacions, estos sensors es troben instal·lats i es podrien fer servir per a aquesta finalitat. Ha estat demostrat que les tècniques basades en l'anàlisi de la corrent són de gran utilitat per el diagnosi de diversos tipus de fallades en motors elèctrics. De fet, l'anàlisi de la firma de la corrent del motor s'utilitza àmpliament en l'indústria, especialment per el diagnosi de fallades en motors d'inducció. En la present tesi, s'avalua l'utilització de la tècnica d'anàlisi de corrents per el diagnosi de fallades típiques relacionades en bombes per a diferents aplicacions. Se investiguen tres tipus de bombes diferents: bombes en línia de rotor humit, bombes de rotor sec i bombes submergibles. En aquesta tesi se han adaptat diverses tècniques, prèviament utilitzades en el diagnosi de màquines elèctriques, per al diagnosi de la pròpia bomba. Els resultat indiquen que les fallades com obstrucció de la bomba, la fissura de l'impulsor i el desgast dels coixinets influeixen especialment en dos freqüències de l'espectre de la corrent, les quals es poden utilitzar com a base per a una estratègia de manteniment basada en la condició. Particularment, en les bombes de rotor humit, aquestos dos indicadors de fallada varíen sensiblement en funció del punt de càrrega hidràulica de la bomba. En l'ajuda de un mètode d'extracció de característiques basat en la "motor reference frame theory", es demostra que les mencionades freqüències es poden analitzar en temps real en un entorn industrial. A més a més, es presenten directrius per la monitorització en el núvol i es valida en l'ajuda de assajos en el laboratori. Addicionalment, es demostra que les fallades són també detectables quan s'analitza la corrent d'arrancada mitjançant ferramentes de descomposició temps-freqüència. Aquest fet no ha estat analitzat prèviament en cap tipus de literatura tècnica dins del camp de detecció de fallades en bombes. En conclusió, els resultats d'aquest treball demostren que els mètodes de diagnosi basats en la corrent poden detectar en èxit diversos tipus de fallades en bombes, el qual constitueix un punt d'interés per a l'indústria que utilitzen aquest tipus de actiu en els seus processos. / [EN] Pumps are the heart of many processes in industry and service sector. Electric motors are responsible for 69% of electric energy consumption in industry, with 22% of them being used for the operation of pumps. Pump faults can lead to process breakdowns and are thus related to high costs for the plant operator. Furthermore, faulty operation of pumps reduces the energy efficiency of the plant. In many cases, a time-based maintenance strategy is applied, which means that typical wear parts are replaced within defined time cycles, which comes with some drawbacks such as poor resource efficiency and high costs. Condition-based maintenance strategies - meaning that the replacement of parts is planned based on the condition of the pump - are often based on the evaluation of sensor signals like vibration or noise. However, the use of sensors also has some drawbacks, such as additional investment costs, frequent problems with the sensor mounting, and possible sensor faults. There is no widespread use of the current signal to make statements about the pump condition, although current sensors are installed in many applications anyway. As for motor fault diagnosis, different current-based techniques have demonstrated their function. Today, motor current signature analysis is used in industry, especially for the diagnosis of induction motors. In this thesis, the current-based diagnosis of typical pump-related faults in different applications is evaluated. In total, three different pump types are investigated: a wet-rotor pump, a dry-runner inline pump, and a submersible pump. The techniques used for motor fault detection are adapted for the diagnosis of pump-related faults. The results indicate that the faults clogging, impeller crack, and bearing wear, in particular, influence two frequencies in the current spectrum, which can be used as a basis for a condition-based maintenance strategy. Especially in wet-rotor pumps, these two fault indicators strongly vary depending on the hydraulic load point of the pump. With the help of a feature extraction method based on the adapted reference frame theory, this work demonstrates that the two frequencies can be analyzed in real time in a field environment. Furthermore, a concept for cloud monitoring is presented and validated with the help of a laboratory test. Additionally, it is demonstrated that the faults are visible if the starting current is evaluated in a time-frequency map, which has not been considered before in the literature on pump-related faults. In summary, the findings of this work indicate that current-based diagnosis methods can successfully detect typical faults in pumps, a fact that is of high interest for companies using these assets in their industrial processes. / Becker, V. (2022). Current-based Techniques for Condition Monitoring of Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190630