O objetivo deste trabalho consiste na implementação de arquiteturas de sistema inteligentes em Processadores Digitais de Sinais (DSP) visando, sobretudo, o controle em tempo real de motores de indução trifásicos. Para tanto, propõe-se uma abordagem fuzzy para o controle de velocidade de motores de indução trifásicos baseado na metodologia de ajuste de tensão e freqüência (Volts/Hertz) proveniente de um inversor PWM, de modo que o fluxo no entreferro seja mantido constante. O enfoque principal consiste no desenvolvimento do sistema de controle em hardware considerando o estudo dinâmico do controlador frente às variações de conjugado de carga, cujo desempenho da metodologia proposta será avaliado mediante simulações computacionais e ensaios experimentais realizados em laboratório. / The objective of this work consists of the implementation of intelligent system architecture in Digital Signal Processor (DSP) aiming at the real-time three-phase induction motor control. Therefore, a fuzzy logic speed control drive system for three-phase induction motor is proposed, whereas the control methodology is based on voltage and frequency (Volts/Hertz) adjustment of a PWM inverter so that the airgap flux maintains constant. The main focus concerns about hardware development of the control system considering the controller dynamic response study in relation to load torque variations, from which the proposed methodology performance is evaluated by means of computational simulation and experimental results obtained in laboratory.

Este trabalho apresenta uma estratégia para a estimativa de velocidade do motor de indução trifásico baseada em redes neurais artificiais utilizando medidas de variáveis primárias como tensão e corrente. O uso de motores de indução trifásicos é uma constante em diversos setores industriais e de grande importância no cenário energético nacional. A maioria das metodologias de controle, acionamento e dimensionamento destes motores é fundamentada nas medidas de velocidade no eixo. Entretanto, a medida direta da velocidade compromete o sistema de controle e acionamento diminuindo sua robustez e aumentando o custo de implementação. Resultados de simulação e de ensaios experimentais para validação da proposta são também apresentados. / This work presents an approach to estimate speed in induction motors based on artificial neural networks and using measurement of primary variables like voltage and current. The use of induction motors is very common in many industrial sectors and plays an important role in the national energetic scene. The methodologies used in control, start up and dimensioning of these motors are based on measure of the speed variable. However, the direct measure of this variable compromises the system control and start up of the machine, reducing its robustness and increasing the implementation costs. Simulation results and experimental data are presented to validate the proposed approach.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Henrique Couto.pdf: 1926472 bytes, checksum: 2b4464d74812fd9a1dc1cf69975b8f1f (MD5) Previous issue date: 2013-12-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / When the three phase induction motor is vector-controlled driven, is considered the mathematical model as a set of linear equations, so that the control is more effective only over an operation point. However, when changing that point, control can pass to not respond properly, causing unwanted errors of speed, position or even instability. Such behavior are due to mismatch of the real behavior of the motor, which is non-linear and time-varying system, and the mathematical model used in the project. Thus, parametric identification techniques allow the motor parameters to be determined online, tracking its time variation. The focus of the thesis is to present a general background of the subject and show the results obtained using techniques of parametric identification, more specifically exploring the least squares method to fit the parameters of the motor in closed loop. / Quando o motor de indução trifásico é acionado em malha de controle vetorial, é considerado o modelo matemático como um conjunto de equações lineares, por isso o controle é mais efetivo somente sobre este ponto de operação. Entretanto, quando se muda esse ponto, o controle pode passar a não responder mais adequadamente, causando erros indesejáveis de velocidade, posição e até mesmo a instabilidade. Tais fatos ocorrem devido à descasamentos entre o comportamento real do motor, que é não linear e variante no tempo, e o modelo matemático utilizado para o projeto. Dentro de tal contexto, as técnicas de identificação paramétrica permitem que os parâmetros do motor sejam determinados de forma online, monitorando sua variação no tempo. O foco principal deste trabalho é apresentar um cenário geral do assunto e mostrar os resultados obtidos usando as técnicas de identificação paramétrica, mais especificamente explorando o método dos mínimos quadrados para ajustar os parâmetros do motor em malha fechada

Escoamentos gás-líquido assim como escoamento líquido-líquido-gás em duto de geometria anular estão presentes em muitas aplicações industriais, por exemplo, em poços de petróleo direcionais. No entanto, até mesmo características globais de escoamento gás-líquido nessa geometria, como os padrões de escoamento ou gradiente de pressão, não são ainda totalmente compreendidas. E ainda, informações são escassas quando se refere a escoamento trifásico nessa geometria, cuja aplicação está relacionada ao fenômeno de inversão de fase, que é de extrema importância não apenas para ao setor petrolífero, como para a indústria alimentícia. O presente estudo experimental tem como objetivo avaliar o escoamento líquido-gás, apresentar dados inéditos de escoamento gás-líquido para três viscosidades de óleo, além de avaliar o fenômeno de inversão de fase em escoamento ascendente vertical em duto anular de grande diâmetro. Um aparato experimental inclinável com 10,5 m de comprimento foi projetado e construído para este trabalho. As dimensões radiais do duto anular estão em escala real, conforme se verifica em poços de petróleo e gás. A investigação em escoamento gás-líquido foi conduzida utilizando água, óleo e ar comprimido como fluidos de trabalho em escoamento ascendente vertical em duas geometrias: (i) um tubo com diâmetro de 95 mm e (ii) um duto de configuração anular e concêntrico, com diâmetro hidráulico de valor igual ao diâmetro do tubo. A avaliação do fenômeno de inversão de fase em escoamento trifásico foi conduzida em condições equivalentes em três geometrias: (i) tubo vertical menor com diâmetro de 50 mm, (ii) tubo com diâmetro de 95 mm e (iii) um duto anular concêntrico. Padrões de escoamento, queda de pressão e fração volumétrica de fase foram obtidos para ambos os escoamentos gás-líquido e líquido-líquido-gás. Os dados coletados nesse trabalho são de grande importância para o desenvolvimento de novas correlações de fechamento, que são essenciais para o projeto otimizado de poços de petróleo. Dados inéditos de escoamento bifásico óleo-gás são apresentados, bem como um estudo pioneiro em inversão de fase em escoamento trifásico com velocidade superficial de gás e viscosidade do óleo elevadas. / Two-phase flows as well as three-phase flow in annular geometry are present in many industrial applications, for example in oil directional wells. However, even global characteristics of gas-liquid flow in this geometry, such as flow patterns and pressure gradient are not fully understood. Moreover, information is scarce when it refers to three-phase flow in this geometry, which application is related to the phase inversion phenomenon, which is of extreme importance and not only for the oil industry. This experimental study aims to evaluate the liquid-gas flow, present new data from gas-liquid flow for three oil viscosities and evaluate the phase inversion phenomenon in vertical upward flow in large diameter annular duct. An experimental apparatus with 10.5 m length was designed and built for this work. The radial dimensions of the annular duct are similar to full scale, as observed in oil and gas wells. The investigation into gas-liquid flow was conducted using water, oil and compressed air as working fluids in an ascending vertical flow in two geometries: (i) a tube with 95 mm diameter and (ii) a concentric annular duct with hydraulic diameter equivalent to the tube internal diameter. The evaluation of the phase inversion phenomenon in three-phase flow was conducted under equivalent conditions for three geometries: (i) smaller vertical tube with 50 mm of internal diameter, (ii) tube with 95 mm of internal diameter and (iii) concentric annular duct with hydraulic diameter of 95 mm. Flow patterns, pressure drop and volumetric phase fraction were obtained for both gas-liquid and gas-liquid-liquid flows. The data collected in this study are of great importance for the development of new closing correlations, which are essential for the optimized design of oil wells. New two-phase flow data for three oil viscosities, not found in the literature, are presented as well as a pioneer study in three-phase-flow phase inversion with high oil viscosity and high superficial gas velocity.

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.

A ocorrência frequente de escoamentos multifásicos em tubulações tem motivado um grande interesse acadêmico nas últimas décadas. O caso particular de escoamentos líquidolíquido é geralmente encontrado na indústria do petróleo, onde uma série de aplicações envolve escoamentos óleo-água, tais como a produção de petróleo e seu transporte. No entanto, ele não tem recebido a mesma atenção quando comparado com escoamentos gás-líquido. Ainda não existe uma explicação física razoável para um número significativo de fenômenos observados em escoamento óleo-água, como o fenômeno de redução de atrito, observado em escoamento disperso, e a estrutura interfacial ondulada em escoamento estratificado. Os escoamentos trifásicos têm sido ainda menos estudados. Há técnicas de medição, desenvolvidas para escoamento gás-líquido, que supostamente são adaptáveis aos escoamentos líquido-líquido, mas várias delas ainda precisam de validação adequada. O sensor wire-mesh, um método híbrido baseado na medição de resistência ou capacitância, que combina medição local intrusiva da fração de fase e imagens tomográficas transversais, oferece uma boa resolução espacial e alta resolução temporal em comparação com outras técnicas atuais. Porém, a literatura existente em aplicações do sensor wire-mesh cobre quase apenas o escoamento gás-líquido e, até agora, não é possível avaliar o limite de viscosidade do fluido para a sua aplicação. Neste contexto, este projeto propõe o estudo de aspectos importantes da fenomenologia de escoamentos líquido-líquido e líquido-líquido-gás com o auxílio da tecnologia wire-mesh. O principal objetivo prático é a validação da técnica wire-mesh como ferramenta de referência para o desenvolvimento de instrumentação para aplicações em campos petrolíferos, com especial atenção devotada ao efeito da viscosidade do óleo sobre a confiabilidade da medição e à extensão da tecnologia para lidar com escoamentos óleo-água-gás. / The frequent occurrence of multiphase flows in pipes has motivated a great research interest over the last decades. The particular case of liquid-liquid flow is commonly encountered in the petroleum industry, where a number of applications involve oil-water flow such as crude oil production and transportation. However, it has not received the same attention when compared to gas-liquid flow. There is no reasonable physical explanation for a significant number of phenomena observed in oil-water flow, as the drag reduction phenomenon observed in dispersed flow and the interfacial wavy structure of stratified flow. Much less has been investigated when it comes to three-phase flow. Several measurement techniques that are supposed to be adaptable to liquid-liquid flow have been proposed recently, but many of them still need proper validation. The wire-mesh sensor, a hybrid impedance-based method that combines intrusive local measurement of phase fraction and tomographic cross-sectional imaging, offers good spatial resolution and high temporal resolution in comparison with other current techniques. However, the existing literature on wire-mesh sensor applications covers almost only the gas-liquid flow and, so far, it is not possible to evaluate the fluid-viscosity limit for its application. In that context, this project proposes the study of important aspects of liquidliquid and liquid-liquid-gas flow phenomenology with the aid of the wire-mesh technology. The main goal is the validation of the wire-mesh technique as a reference tool for the development of instrumentation for oilfield application, with especial attention paid to the effect of oil viscosity on measurement reliability and the extension of the technology for dealing with oil-water-gas flow.

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.

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.

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.

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor. / The three-phase induction motors are the key elements of electromechanical energy conversion in a variety of productive sectors. Identify a defect in an operating motor can provide, before it fails, greater safety for decision making on machine maintenance, reduce costs and increase process availability. This thesis initially presents a literature review and the general methodology for reproduction of defects in the motors and the application of discretization technique of current and voltage signals in the time domain. It was also developed a comparative study of methods of pattern classification for the identification of defects has been developed in these machines, such as Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Artificial Neural Network (Multilayer Perceptron), Repeated incremental Pruning to Produce Error Reduction and C4.5 Decision Tree. Also applied the concept of Multi-Agent Systems (MAS) to support the use of multiple competing methods in a distributed manner to pattern recognition of faults in bearings, broken rotor bars and stator short-circuit in induction motors. Additionally, some strategies for the definition of the severity of the aforementioned defects in engines have been explored, including making an investigation of the influence of voltage unbalance in the machine feed for the determination of these anomalies. Experimental data are acquired from 1 and 2 cv motors under sinusoidal supply, operating in various unbalance conditions and under a wide range of mechanical load applied to the motor shaft.