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Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica (Sistemas de Energia) apresentada à Fac. de Ciências e Tecnologia de Coimbra O objectivo primordial deste trabalho é o de propor um novo método de diagnóstico de avarias nos enrolamentos estatóricos de motores de indução trifásicos, quando estes são alimentados quer por fontes de tensão sinusoidal quer por conversores de frequência com controlo directo de binário (DTC). No primeiro capítulo da dissertação, de natureza introdutória, são sintetizadas as principais causas, consequências e métodos de diagnóstico de avarias nos enrolamentos estatóricos dos motores de indução trifásicos. Aqui são enfatizadas as limitações encontradas no diagnóstico deste tipo de avaria recorrendo aos métodos tradicionais, bem como a necessidade de estudar o funcionamento de accionamentos eléctricos com DTC, hoje em dia bastante vulgarizados na indústria mas praticamente ignorados no domínio do diagnóstico de avarias. De seguida é desenvolvido um modelo matemático capaz de simular o comportamento de um motor de indução trifásico quando na presença de curtos-circuitos entre espiras nos enrolamentos estatóricos. Com base neste modelo matemático e em diversos ensaios experimentais, é estudada de forma aprofundada a ocorrência de curtos-circuitos entre espiras e as consequências introduzidas por esta avaria em diversas grandezas eléctricas que caracterizam o funcionamento do motor, com destaque para aquelas que podem ser calculadas com base nos sinais das correntes e tensões de alimentação. Face às limitações das técnicas de diagnóstico tradicionais, é desenvolvido e proposto um novo método de diagnóstico, designado por método dos referenciais múltiplos, capaz de ultrapassar tais limitações e diagnosticar eficazmente a avaria, de forma independente das condições de funcionamento do motor e do seu tipo de alimentação. Por último é demonstrado que o método dos referenciais múltiplos é facilmente integrável no sistema de controlo de um accionamento com DTC, abrindo a porta à concepção de sistemas de controlo/diagnóstico totalmente integrados e a um custo adicional praticamente nulo. The main goal of this work is to propose a new diagnostic technique for the diagnosis of faults in the stator windings of three-phase induction motors when they are directly connected to the grid as well as in Direct Torque Controlled (DTC) induction motor drives. Chapter 1, of introductory nature, summarizes the main causes, consequences and diagnostic techniques of faults that can occur in the stator windings of three-phase induction motors. The major drawbacks of the traditional diagnostic techniques usually used to diagnose this type of fault are emphasized. Additionally, it is recognized the need to fill a gap in the literature by addressing the diagnosis of faults in direct torque controlled induction motors, very common in industry nowadays but almost ignored in the field of fault diagnosis. Chapter 2 deals with the development of a mathematical model able to simulate the behaviour of a three-phase induction motor in the presence of stator inter-turn short-circuits. Moreover, it is developed a model of a direct torque controlled induction motor drive. The validity of these models is accomplished by a comparison between experimental and simulation results. In Chapter 3 the consequences of stator faults are thoroughly studied, with special emphasis on the effects introduced by the fault in the quantities which can be calculated through the manipulation of the motor supply currents and voltages. By recognizing the limitations of the traditional techniques in the diagnosis of stator faults, it is proposed and developed a new method, the so called multiple reference frames technique, which is able to overcome those limitations and effectively diagnose this type of fault. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed technique in the diagnosis of this type of fault both in line-connected and in direct torque controlled induction motors. Chapter 4 deals with the integration of the diagnostic and control systems of a DTC induction motor drive, with special emphasis on the aspects related to the implementation of the multiple reference frames techniques in the DSP board of the control system. Several experimental results are presented, demonstrating the easiness of integration of the developed diagnostic technique in a DTC induction motor drive. Chapter 5 contains the main conclusions of this work and points towards some subjects which can be addressed in future work.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O diagnóstico precoce de avarias em sistemas eletromecânicos tem assumido uma maior relevância com a massificação destes sistemas em diversas áreas. Este tipo de diagnóstico não só minimiza impactos económicos importantes causados por paragens forçadas não planeadas como também pode constituir uma mais-valia ao nível da segurança em algumas aplicações. O diagnóstico de avarias mecânicas em motores elétricos não é um assunto novo e tem sido amplamente discutido ao longo das últimas décadas, com diversas aplicações daí resultantes.O método das tensões induzidas diferenciais para o diagnóstico de avarias em rolamentos proposto neste documento é totalmente novo e baseia-se na análise de tensões induzidas diferenciais, medidas com o auxílio de bobinas de prova instaladas no estator de um motor de indução trifásico, para a deteção de anomalias no campo magnético no entreferro do motor causadas por avarias nos rolamentos. Este método tem revelado um grande potencial no diagnóstico de avarias no estator, avarias no rotor, e excentricidades no motor devido à elevada sensibilidade do campo magnético às pequenas alterações provocadas por tais avarias. As tensões induzidas diferenciais podem ser obtidas com ligeiras modificações no motor, através da instalação de seis bobinas de teste nas ranhuras do estator. Uma das mais valias deste método é a possibilidade de ser utilizado em ambientes onde a recolha dos sinais de vibração ou sinais acústicos não é possível.O objetivo principal deste trabalho é pois identificar padrões de avaria típicos em rolamentos de motores de indução trifásicos com base na análise das tensões induzidas diferenciais, de forma a validar este novo método de diagnóstico na deteção deste tipo de avaria. Early diagnosis of malfunctions in electromechanical systems has assumed greater relevance with the massification of these systems in several applications. This type of diagnosis not only minimizes important economic impacts caused by unplanned forced stoppages, but can also provide added value in terms of safety in some applications. The diagnosis of mechanical malfunctions in electric motors is not a new issue and has been widely discussed over the last few decades, with several techniques resulting therefrom.The differential induced voltages technique for the diagnosis of bearing failures proposed in this document is totally new and is based on the analysis of differential induced voltages, measured by search coils installed in the stator of a three-phase induction motor, for the detection of magnetic field anomalies in the motor air gap caused by bearing failures. This technique has revealed a great potential in the diagnosis of stator faults, rotor faults, and eccentricities in the motor due to the high sensitivity of the magnetic field to the small alterations caused by such faults. Differential induced voltages can be obtained with slight modifications to the motor, by installing six search coils in the stator slots. One of the advantages of this method is the possibility of being used in environments where the analysis of vibration or acoustic signals is not possible.The main goal of this work is therefore to identify typical failure patterns in bearings of three-phase induction motors based on the analysis of the induced differential voltages, in order to validate this new diagnostic method in the detection of this type of failure.

PhD Thesis in Electrical and Computer Engineering, specialization in Energy, submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra Currently, wind energy conversion systems based on doubly-fed induction generators (DFIGs) are the most popular configuration in the wind energy market due to their advantages such as reduced converter cost, variable speed operation and control capability. On the other hand, multilevel converters have become an attractive alternative, especially in high-power wind turbines, as they are able to meet the increasing demand for higher power ratings in this type of application. Amongst the different multilevel converters topologies, three-level neutral-point-clamped (3LNPC) converters are highly popular. Although they have been extensively used in medium-voltage AC motor drives, the large number of switches and gate drivers used in this converter topology increases the probability of the occurrence of a fault. Therefore, the use of reliable real-time diagnostic systems is able to improve the availability of the power converter and of the drive system as a whole. In addition, inter-turn short-circuit (ITSC) faults in the stator and rotor windings of DFIGs are one of the most common types of faults reported in the literature. To avoid unscheduled downtimes and to minimize the maintenance costs associated with wind turbines, it is imperative to implement reliable diagnostic systems for the detection of this type of faults as well. Having this in mind, the main goals of this thesis are twofold: the diagnosis of faults in 3LNPC converters used in different applications and the diagnosis of faults in the stator and rotor windings of DFIGs used in wind energy conversion systems. Regarding the first goal, open-circuit (OC) faults in 3LNPC converters, used in induction motor (IM) drives and DFIG systems, were investigated. For the case of IM drives, three novel real-time diagnostic approaches for the detection and identification of power switch OC faults in 3LNPC inverters were developed. The first approach is based on the average current Park’s Vector (ACPV) and has the capability of pinpointing the exact location of the faulty IGBT. The second diagnostic approach has the ability to detect and identify multiple OC IGBT faults in 3LNPC inverters. This approach is based on the average values of the positive and negative parts of the output currents. The third diagnostic approach relies on the analysis of the pole voltages of the inverter and is able to detect and identify multiple OC faults in the IGBTs as well as OC fault in the clamp-diodes of 3LNPC inverters. The significant advantages of this new technique, which makes it superior to their counterparts reported in the literature, are the independence of the diagnostic process with regard to the operating conditions of the system and a fast diagnosis, both in steady-state and in transient conditions. With regard to DFIG systems, their performance under different semiconductor OC faults in the rotor-side converter was investigated and a diagnostic approach with the capability of detecting and locating OC faults in the IGBTs as well as in the clamp-diodes of the converter was developed. This diagnostic approach is similar to the third diagnostic method proposed for IM drives but constitutes a simplified version of it, with a smaller number of diagnostic variables. This approach provides very fast and reliable diagnostic results for all operating conditions of the DFIG system, including operation in the subsynchronous and supersynchronous regions. As for the second main goal of this thesis, ITSC faults in the stator and rotor windings of the DFIG were investigated and an approach towards the detection and quantification of these types of faults was introduced. The diagnostic approach proposed is based on the spectrum analysis of the stator instantaneous reactive power. In addition, for each type of fault, a severity factor was defined that indicates the extension of the fault. In order to conduct a detailed analysis of the DFIG system, a mathematical model of the DFIG, based on the modified winding function approach (MWFA), was developed and implemented in Matlab/Simulink environment. This model allows the introduction of ITSC faults in the stator and rotor windings of the DFIG and includes phenomena such as the effects of the linear rise of magnetomotive force (MMF) across the slots, stator and rotor slotting, and magnetic saturation. The diagnostic methods proposed for semiconductor faults and for DFIG windings faults can easily be integrated into the control system of the DFIG, thus increasing their availability and reducing its maintenance cost. They can easily be applied in real wind generation systems, having a high potential for commercialization and large scale production. Atualmente, os sistemas de conversão de energia eólica baseados em máquinas de indução duplamente alimentadas (MIDAs) são a configuração mais popular no mercado da energia eólica devido às suas vantagens, tais como um custo reduzido do conversor de potência, capacidade de operação a uma velocidade variável e grande capacidade de controlo. Por outro lado, os conversores multinível tornaram-se uma alternativa atraente, especialmente em turbinas eólicas de grande potência, sendo capazes de atender à procura crescente de geradores com uma potência nominal cada vez maior neste tipo de aplicação. Entre as diferentes topologias de conversores multinível, os conversores de três níveis na configuração NPC (3LNPC) são bastante populares. Embora os conversores 3LNPC sejam amplamente utilizados em acionamentos elétricos baseados em motores de indução de média tensão, o número elevado de semicondutores de potência e circuitos de comando usados nesta topologia de conversor de potência aumenta a probabilidade de corrência de uma falha. Por conseguinte, o uso de sistemas de diagnóstico em tempo real fiáveis permite o aumento da disponibilidade do conversor de potência e do acionamento elétrico como um todo. Adicionalmente, os curtos-circuitos entre espiras nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA são um dos tipos mais comuns de falhas relatados na literatura publicada neste domínio. De modo a evitar paragens não programadas e a minimizar os custos de manutenção associados às turbinas eólicas, é imperativo implementar sistemas de diagnóstico fiáveis também para a deteção deste tipo de falhas. Tendo isto em mente, os objetivos desta tese são duais: (i) o diagnóstico de falhas em conversores 3LNPC usados em diferentes aplicações e (ii) o diagnóstico de falhas nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA, usada em sistemas de conversão de energia eólica. Relativamente ao primeiro objetivo, foram investigadas falhas de circuito aberto em conversores 3LNPC usados em acionamentos elétricos baseados no motor de indução trifásico (MIT) e em sistemas de conversão de energia eólica baseados na MIDA. Para o caso dos acionamentos baseados no MIT, foram desenvolvidas três novas estratégias de diagnóstico em tempo real para a deteção e identificação de falhas de circuito aberto em inversores 3LNPC. A primeira estratégia é baseada no Vetor de Park dos valores médios das correntes (ACPV), tendo esta estratégia a capacidade de localizar com exatidão o IGBT em falha. A segunda estratégia de diagnóstico tem a capacidade de detetar e identificar falhas múltiplas de circuito aberto em IGBTs usados em inversores 3LNPC. Esta segunda abordagem baseia-se na análise dos valores médios das alternâncias positiva e negativa das correntes de saída do inversor. A terceira estratégia de diagnóstico baseia-se na análise das tensões polares do inversor e é capaz de detetar e identificar falhas múltiplas de circuito aberto nos IGBTs bem como falhas de circuito aberto nos díodos de fixação usados nos inversores 3LNPC. As principais vantagens desta nova estratégia de diagnóstico, que a tornam superior às suas concorrentes relatadas na literatura, são a independência do processo de diagnóstico relativamente às condições de funcionamento do sistema e um diagnóstico extremamente rápido, quer em regime permanente quer em regime transitório. No que diz respeito aos sistemas de conversão de energia eólica baseados na MIDA, foi investigado o seu desempenho na presença de diferentes falhas de circuito aberto no conversor de potência do lado do rotor, tendo sido desenvolvida uma nova estratégia de diagnóstico com a capacidade de detetar e localizar falhas de circuito aberto nos IGBTs e nos díodos de fixação desse conversor. Esta estratégia de diagnóstico é bastante semelhante à terceira estratégia proposta para os acionamentos baseados no MIT, constituindo uma versão simplificada da mesma dado recorrer a um menor número de variáveis de diagnóstico. Esta abordagem fornece resultados de diagnóstico muito rápidos e fiáveis para todas as condições de funcionamento da MIDA, incluindo o funcionamento nas regiões subsíncrona e supersíncrona. Relativamente ao segundo grande objetivo desta tese, foi investigada a ocorrência de curtoscircuitos entre espiras nos enrolamentos do estator e do rotor da MIDA, tendo ainda sido introduzida uma estratégia de diagnóstico com o objetivo de detetar e quantificar este tipo de falhas. A estratégia de diagnóstico proposta baseia-se na análise espetral da potência reativa instantânea total do estator, tendo ainda, para cada tipo de falha, sido definido um fator de severidade que indica a extensão da falha. Para realizar uma análise detalhada do comportamento da MIDA, foi desenvolvido e implementado em ambiente Matlab/Simulink, um modelo matemático da MIDA, baseado no uso da função de enrolamento modificada. Este modelo permite a introdução de falhas nos enrolamentos do estator e rotor da MIDA e inclui fenómenos tais como o aumento linear da força magnetomotriz ao longo das ranhuras da máquina, efeitos das ranhuras do estator e rotor, e saturação magnética. Os métodos de diagnóstico propostos para as falhas nos semicondutores de potência e falhas nos enrolamentos da MIDA podem ser facilmente integrados no sistema de controlo da mesma, aumentando desta forma a sua disponibilidade e reduzindo os respetivos custos de manutenção. Eles poderão portanto ser aplicados em sistemas de geração eólica reais, tendo um elevado potencial de comercialização e utilização em grande escala.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

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