Sensorless speed estimation in induction machines (IMs) presents an attractive proposition for eliminating the need for physical speed measurement sensors and thus avoiding the associated reliability and cost issues, such as the requirement of extra wiring, careful mounting, maintenance and adjustment. In this thesis, the feasibility of utilising the stator current and power signals to establish spectral search based (SSB) sensorless speed estimation schemes in wound rotor induction machines (WRIMs) operating in extended slip and open-loop controlled conditions is investigated. The research is performed on three different industrial WRIM designs. The thesis first investigates the spectral content of WRIM electrical and mechanical signals with the principal aim of identifying spectral patterns that can facilitate the development of real-time sensorless speed estimation. The examination is based on detailed harmonic models of the considered machine designs as well as experimental results obtained from tests performed on laboratory test rigs. A generalised theoretical analysis of the possible spectral content of machine signals that enables the derivation of closed form analytical expressions linking individual spectral frequencies to rotor speed is also undertaken. The results demonstrate that it is possible to clearly identify speed dependent components in the stator current and power signals and map the boundaries of the narrowbands maximised by these for extended slip and open-loop operating conditions. To enable improvement in attainable real time SSB estimation rates a dichotomous search algorithm real-time spectral processing method was employed for frequency tracking in this research. The algorithm performance is evaluated in real-time tests performed on a measured steady-state laboratory machine stator current and power signals. The results demonstrate that the dichotomous routine provides an inherent advantage in the frequency estimation rate without compromising the estimation accuracy and can therefore enable significant estimation rate improvement in SSB speed estimation algorithms. Novel sensorless speed SSB estimation techniques are then proposed for WRIM operation in extended slip and voltage/frequency controlled conditions. The algorithms utilise the reported analysis of electrical signals and are separately defined for each assessed operation mode and the stator current, phase power and three-phase power signals. It is shown that, in principle, power signal based estimation algorithms can offer an inherent capability of estimation rate reduction. A novel adaptive sliding window algorithm is defined for open-loop operating conditions that enable estimation in a wide operating speed range while minimising the potential for undesirable overlap with PWM harmonics. The proposed algorithms have been verified and their performance limitations assessed in real-time experiments on three different industrial WRIM designs. It is shown that reliable real-time speed estimation in steady-state and transient operating conditions is possible at an improved estimation rate while maintaining a low estimation error.

Many utility-scale wind turbine generators use wound-rotor induction machines. By adding an external rotor resistance to the rotor circuit it is possible to control the wind turbine output power and, with proper control, maintain a constant power for wind speeds between rated and cut-out. The external resistance modifies the generator torque-speed curve and changes the angular velocity of the rotor, resulting in a greater power extraction from the wind. A number of control strategies can achieve this objective. These include controlling the rotor resistance to maintain a constant generator equivalent circuit, and control based on the aerodynamic torque. It is also possible to use a lookup table instead of a feedback controller. These options all have the same steady-state result as direct output power control, but differing transient performance. Computer simulations and hardware experiments are used to investigate and characterize the different control methods. / text

Tradicionalmente, la detección de faltas en máquinas eléctricas se basa en el uso de la Transformada Rápida de Fourier ya que la mayoría de las faltas pueden ser diagnosticadas con ella con seguridad si las máquinas operan en condiciones de régimen estacionario durante un intervalo de tiempo razonable. Sin embargo, para aplicaciones en las que las máquinas operan en condiciones de carga y velocidad fluctuantes (condiciones no estacionarias) como por ejemplo los aerogeneradores, el uso de la Transformada Rápida de Fourier debe ser reemplazado por otras técnicas. La presente tesis desarrolla una nueva metodología para el diagnóstico de máquinas de inducción de rotor de jaula y rotor bobinado operando en condiciones no estacionarias, basada en el análisis de las componentes de falta de las corrientes en el plano deslizamiento frecuencia. La técnica es aplicada al diagnóstico de asimetrías estatóricas, rotóricas y también para la falta de excentricidad mixta. El diagnóstico de las máquinas eléctricas en el dominio deslizamiento-frecuencia confiere un carácter universal a la metodología ya que puede diagnosticar máquinas eléctricas independientemente de sus características, del modo en el que la velocidad de la máquina varía y de su modo de funcionamiento (motor o generador). El desarrollo de la metodología conlleva las siguientes etapas: (i) Caracterización de las evoluciones de las componentes de falta de asimetría estatórica, rotórica y excentricidad mixta para las máquinas de inducción de rotores de jaula y bobinados en función de la velocidad (deslizamiento) y la frecuencia de alimentación de la red a la que está conectada la máquina. (ii) Debido a la importancia del procesado de la señal, se realiza una introducción a los conceptos básicos del procesado de señal antes de centrarse en las técnicas actuales de procesado de señal para el diagnóstico de máquinas eléctricas. (iii) La extracción de las componentes de falta se lleva a cabo a través de tres técnicas de filtrado diferentes: filtros basados en la Transformada Discreta Wavelet, en la Transformada Wavelet Packet y con una nueva técnica de filtrado propuesta en esta tesis, el Filtrado Espectral. Las dos primeras técnicas de filtrado extraen las componentes de falta en el dominio del tiempo mientras que la nueva técnica de filtrado realiza la extracción en el dominio de la frecuencia. (iv) La extracción de las componentes de falta, en algunos casos, conlleva el desplazamiento de la frecuencia de las componentes de falta. El desplazamiento de la frecuencia se realiza a través de dos técnicas: el Teorema del Desplazamiento de la Frecuencia y la Transformada Hilbert. (v) A diferencia de otras técnicas ya desarrolladas, la metodología propuesta no se basa exclusivamente en el cálculo de la energía de la componente de falta sino que también estudia la evolución de la frecuencia instantánea de ellas, calculándola a través de dos técnicas diferentes (la Transformada Hilbert y el operador Teager-Kaiser), frente al deslizamiento. La representación de la frecuencia instantánea frente al deslizamiento elimina la posibilidad de diagnósticos falsos positivos mejorando la precisión y la calidad del diagnóstico. Además, la representación de la frecuencia instantánea frente al deslizamiento permite realizar diagnósticos cualitativos que son rápidos y requieren bajos requisitos computacionales. (vi) Finalmente, debido a la importancia de la automatización de los procesos industriales y para evitar la posible divergencia presente en el diagnóstico cualitativo, tres parámetros objetivos de diagnóstico son desarrollados: el parámetro de la energía, el coeficiente de similitud y los parámetros de regresión. El parámetro de la energía cuantifica la severidad de la falta según su valor y es calculado en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia (consecuencia de la extracción de las componentes de falta en el dominio de la frecuencia). El coeficiente de similitud y los parámetros de regresión son parámetros objetivos que permiten descartar diagnósticos falsos positivos aumentando la robustez de la metodología propuesta. La metodología de diagnóstico propuesta se valida experimentalmente para las faltas de asimetría estatórica y rotórica y para el fallo de excentricidad mixta en máquinas de inducción de rotor de jaula y rotor bobinado alimentadas desde la red eléctrica y desde convertidores de frecuencia en condiciones no estacionarias estocásticas. / Vedreño Santos, FJ. (2013). Diagnosis of electric induction machines in non-stationary regimes working in randomly changing conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34177 / TESIS