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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.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O principal objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento, implementação e teste, tanto a nível de hardware como de software, de um sistema de tração do veículo elétrico do IT - Pólo de Coimbra, baseado num motor síncrono de relutância (SynRM), e comandado a partir da plataforma de controlo digital dSPACE MicroAutobox II.O Capítulo 1, de forma introdutória, expõe um enquadramento geral do tema no qual otrabalho se desenvolveu. É apresentada a história dos veículos elétricos e o seu desenvolvimento ao longo do tempo, destacando as principais vantagens face às alternativas existentes no mercado, que evidenciam a motivação para a realização deste trabalho. É ainda abordado o projeto no qual está inserida a dissertação, destacando os principais componentes utilizados, desde o SynRM, o sistema de controlo preditivo utilizado e a plataforma Microautobox II, explicando quais as razões que levaram à sua utilização.É efetuada, no Capítulo 2, uma caracterização do modelo do motor utilizado, destacandoas suas principais vantagens comparativamente a outros motores convencionais existentes na indústria. Nesta secção, são também apresentados detalhes relativos à sua construção, estrutura e fenómenos de saturação magnética e saturação magnética cruzada, bem como as consequências que estes fenómenos impõem no sistema de controlo.O principal objetivo do Capítulo 3 consiste na apresentação da estratégia de controloutilizada no acionamento elétrico do veículo, justificando a opção pela estratégia implementada e apresentando-a de forma detalhada.O Capítulo 4 introduz a plataforma de controlo Microautobox II definindo-a eapresentando-a com as diferentes placas que a constituem. Aborda as especificações inerentes de cada placa, apresentando todas as alterações realizadas no modelo de controlo, construído previamente em ambiente Simulink, de modo a fazer corresponder os blocos implementados no modelo com as entradas e saídas utilizadas, para o correto funcionamento do sistema de tração.Inicialmente no Capítulo 5 é apresentada a montagem experimental, de modo a identificaros diferentes componentes do sistema de tração, no entanto o principal foco deste capítulo recaí na apresentação dos resultados obtidos a partir dos diferentes ensaios realizados.Para concluir, segue-se o capítulo 6 onde são expostas as conclusões deste trabalho,acompanhadas de sugestões de implementações futuras. The main objective of this work is the development, implementation and test, at the level of both hardware and software, of the traction drive system of the electric vehicle of IT – Polo de Coimbra, based on a synchronous reluctance motor (SynRM), and commanded with a dSPACE MicroAutobox II digital control platform.Chapter 1, of introductory nature, sets out a general framework of the theme on which the work has been developed. This chapter presents the history of electric vehicles and their development over time, highlighting the main advantages over the alternatives in the market, which show the motivation to carry out this work. It is also approached the project in which the thesis is inserted, highlighting the main components used, from the SynRM, such as the predictive control system used and the platform Microautobox II, explaining the reasons that led to its use.In Chapter 2 is performed a characterization of the SynRM model used, highlighting someof its main advantages compared to other conventional motors in the industry. In this section, details are also presented concerning their construction and structure and phenomena of magnetic saturation and cross-magnetic saturation, as well as the consequences they have on the control system.The main goal of Chapter 3 is to present the control strategy used in the traction drive of the electric vehicle, justifying the option for the implemented strategy and presenting it in detail.Chapter 4 introduces the Microautobox II control platform by defining and presenting itwith the different boards that constitute it. It discusses the inherent specifications of each board, presenting all the changes made in the control model, previously built in Simulink environment, in order to match the blocks implemented in the model with the inputs and outputs used, for the correct operation of the traction system.Initially in Chapter 5 the experimental setup is presented, in order to identify the different components of the traction system, however the main focus of this chapter lies in the presentation of the results obtained from the different tests performed.To conclude, chapter 6 presents the conclusions of this work, accompanied by suggestions for future implementations.

Thesis in the scope of the PhD in Electrical and Computer Engineering, specialization in Energy, presented to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra. Nowadays, several types of electric motors are utilized in industrial applications, namely induction motors (IMs), permanent magnet synchronous motors (PMSMs) and synchronous reluctance motors (SynRMs). Owing to the high cost of PMSMs and due to the rotor losses of IMs, SynRMs can be considered an ideal choice for some applications. These motors have a simple structure, are robust, and have a low cost due to the absence of permanent magnets or windings in the rotor. To exploit the advantages of SynRM drives, an adequate control strategy is essential. In recent times, due to the development of fast and cheap microprocessors and FPGAs, the category of control strategies known as finite control set model predictive control (FCS-MPC) has attracted significant attention in both academia and industry. FCS-MPC has as main advantages, an intuitive and simple implementation, very fast dynamic response and the ability to tackle several constraints in a straightforward manner. Due to these advantages, it can be considered an ideal alternative to field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC) in high performance motor drives. In spite of its advantages, FCS-MPC has been barely proposed for the control of SynRM drives, especially if we consider that some applications require the drive system to operate in the full speed range. This thesis proposes three different FCS-MPC control strategies for high-performance SynRM drives. The first two control strategies combine the concepts of active flux and torque control in order to operate the SynRM in the constant torque region. The first control strategy, baptized as predictive active flux and torque control (PAFTC), regulates the active flux and the electromagnetic torque of the SynRM in an independent manner. It follows the standard implementation steps of FCS-MPC, namely by predicting the values of the state variables for all possible switching states of the inverter, and by using a cost function with a weighting factor which needs to be tuned. A second control approach, known as simplified PAFTC (S-PAFTC), is a simplified version of the PAFTC in the sense that the predictions of the state variables are replaced by the calculation of an equivalent reference voltage, performed only once in a sampling period. This procedure leads to a smaller computational time, when the control strategy is implemented in a digital control platform, and to the use of a cost function without any weighting factor, overcoming one of the challenging tasks in classical FCS-MPC strategies which is the choice of the optimal value(s) for the weighting factor(s). The simulation and experimental results obtained with these control strategies demonstrate the very good steady-state and dynamic response of the SynRM drive in the constant torque region. With the aim to safely operate the SynRM drive in the full speed range, while ensuring at the same time the exploitation of all its potentialities and limits, including its operation with optimal efficiency, a third control strategy, known as predictive load angle and stator flux control (PLASFC), is proposed for SynRM drives. The PLASFC, implemented in a stator flux reference frame, regulates the stator flux and the load angle of the SynRM in an independent manner. While the stator flux regulation is straightforward, the torque is regulated indirectly by controlling the load angle, bringing benefits in terms of a smooth transition between the different motor operating regions. Similarly to the S-PAFTC strategy, an equivalent reference voltage is calculated instead of predicting the values of the motor state variables for all possible switching states of the inverter, and the cost function does not include any weighting factor. In the PLASFC strategy, the SynRM is easily operated in the full speed range: constant torque region (including zero speed), constant power region and constant load angle region, the last two being part of what is usually known as field-weakening (FW) region. With this control strategy, the voltage, current and load angle limits are easily exploited by simple mathematical relations and saturation blocks. In addition, a loss minimization algorithm is developed and incorporated in this control strategy thus allowing to operate the SynRM with minimum copper losses for a given load torque. Furthermore, to improve the performance of the control system, some parameters namely the motor apparent inductances, are estimated online. Several simulation and experimental results presented demonstrate the excellent steady-state and dynamic performance of the SynRM drive when operating with the PLASFC strategy, thus clearly demonstrating the benefits of using FCS-MPC strategies in the field of electric drives in general and SynRM drives in particular. Atualmente, diversos tipos de motores elétricos são utilizados em aplicações industriais, nomeadamente os motores de indução (IMs), os motores síncronos de ímanes permanentes (PMSMs) e os motores síncronos de relutância (SynRMs). Devido ao elevado custo dos PMSMs e às elevadas perdas no rotor dos motores de indução, os SynRMs podem ser considerados a escolha ideal para algumas aplicações. Estes motores possuem uma estrutura simples, são robustos e têm um baixo custo de fabrico devido à ausência de ímanes permanentes ou enrolamentos no rotor. De modo a explorar toda as vantagens dos acionamentos baseados em SynRMs, é essencial uma estratégia de controlo adequada. Recentemente, em virtude do desenvolvimento de microprocessadores e FPGAs mais rápidos e económicos, a categoria de controlo conhecida como controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC) tem despertado um especial interesse no mundo académico e na indústria. O FCS-MPC tem várias vantagens, tais como uma implementação simples e intuitiva, uma rápida resposta dinâmica e a possibilidade de considerar várias restrições de uma forma direta. Devido a estas vantagens, o FCS-MPC pode ser considerado uma alternativa ideal ao controlo por orientação de campo (FOC) e ao controlo direto de binário (DTC) em acionamentos de alto desempenho. Apesar das suas vantagens, o FCS-MPC ainda tem sido pouco utilizado no controlo de acionamentos baseados em SynRMs, especialmente se considerar que algumas aplicações necessitam que o acionamento opere em toda a gama de velocidades. Esta dissertação propõe três estratégias de controlo FCS-MPC para acionamentos de alto desempenho baseados num SynRM. As duas primeiras estratégias de controlo combinam os conceitos do fluxo ativo e do controlo de binário, de modo a operar o SynRM na região de binário constante. A primeira estratégia, denominada controlo preditivo do fluxo ativo e de binário (PAFTC), regula o fluxo ativo e o binário eletromagnético do SynRM de forma independente. A estratégia PAFTC segue a estrutura padrão do FCS-MPC, uma vez que prevê os valores futuros das variáveis de estado para todos os estados de comutação possíveis do inversor, e utiliza uma função de custo com um peso que necessita de ser sintonizado. Uma segunda abordagem de controlo, denominada PAFTC simplificado (S-PAFTC), é uma versão simplificada do PAFTC uma vez que o cálculo das predições das variáveis de estado é substituído pelo cálculo das tensões de referência equivalentes, realizado apenas uma vez num período de amostragem. Esta estratégia de controlo possui um tempo de execução menor, quando implementada numa plataforma de controlo digital e, faz uso de uma função custo sem qualquer peso, ultrapassando um grande desafio das estratégias FCS-MPC clássicas, que é a escolha do(s) valor(es) ótimo(s) para o(s) peso(s). Os resultados de simulação e experimentais obtidos com estas estratégias de controlo mostram excelente desempenho do acionamento baseado no SynRM na região de binário constante, tanto em regime permanente como em regime dinâmico. Com o objetivo de operar o acionamento baseado no SynRM de forma segura em toda a gama de velocidades, e ao mesmo tempo assegurar que todas as suas potencialidades e limites são explorados, incluindo uma operação com eficiência ótima, uma terceira estratégia de controlo, conhecida como controlo preditivo do ângulo de carga e fluxo estatórico (PLASFC), é proposta para acionamentos baseados em SynRMs. A estratégia de controlo PLASFC, implementada no referencial do fluxo estatórico, controla o fluxo estatórico e o ângulo de carga do SynRM de forma independente. Enquanto que a regulação do fluxo estatórico é direta, a regulação do binário é realizado de forma indireta através do controlo do ângulo de carga, o que conduz a uma transição suave entre as diferentes regiões de operação do motor. Tal como na estratégia S-PAFTC, as tensões de referência equivalentes são calculadas ao invés de prever os valores futuros das variáveis de estado do motor para todas os estados de comutação do inversor possíveis, e a função custo não inclui qualquer peso. Na estratégia PLASFC, o SynRM é facilmente operado em toda a gama de velocidades: região de binário constante (incluindo a velocidade zero), região de potência constante e região de ângulo de carga constante, sendo que as últimas duas regiões pertencem à região normalmente designada por região de campo enfraquecido (FW). Com esta estratégia de controlo, os limites de tensão, corrente e ângulo de carga são facilmente explorados através de relações matemáticas simples e blocos de saturação. Adicionalmente, um algoritmo de minimização de perdas é desenvolvido e incorporado nesta estratégia de controlo, permitindo que o SynRM opere com perdas no cobre mínimas para um dado binário de carga. Além disso, para melhorar o desempenho do sistema de controlo, alguns parâmetros tais como as indutâncias aparentes do motor são estimadas em tempo real. Por fim, são apresentados múltiplos resultados de simulação e experimentais que demonstram um excelente desempenho do acionamento baseado no SynRM quando operado através da estratégia PLASFC tanto em regime permanente quanto em regime dinâmico, demonstrando claramente os benefícios da utilização das estratégias FCS-MPC no campo dos acionamentos elétricos em geral e, particularmente, nos acionamentos baseados em SynRMs.

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.

Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na especialidade de Energia, apresentada ao Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Nesta tese apresenta-se um trabalho de investigação sobre o desempenho e o comportamento térmico de dois tipos de motores de indução trifásicos, em condições especiais de funcionamento: dois motores com gaiola de esquilo, das classes de eficiência IE2 e IE3, e um motor de rotor bobinado. O trabalho é divido em três estudos, que foram delineados de forma a mitigar as lacunas existentes na literatura. O primeiro estudo foi realizado no âmbito do projeto PTDC/EEA-EEL/100156/2008 - "Fault Diagnosis in High Power Drives Based on Multilevel Converters", financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia, através do Instituto de Telecomunicações. Este estudo consistiu em avaliar o comportamento dos motores IE2 e IE3, quando alimentados por um conversor multinível NPC de três níveis com tolerância a falhas, quer a funcionar em modo normal, quer em modo reconfigurado. Na primeira fase deste estudo, foi processado e analisada uma elevada quantidade de dados, provenientes de ensaios experimentais. Estes ensaios foram complementados por simulações, baseadas em modelos de elementos finitos, para a determinação das perdas nos núcleos ferromagnéticos dos motores. Desta análise verificou-se que, quando o conversor opera em modo reconfigurado, as perdas e as temperaturas nos motores são maiores, e os rendimentos menores. Verificou-se, igualmente, que o motor da classe de eficiência IE3 teve um melhor desempenho do que o motor da classe IE2. O segundo estudo versou avaliar o comportamento de um motor de indução de rotor bobinado, alimentado por uma fonte sinusoidal trifásica e com excentricidades estática, dinâmica e mista. Para o efeito, foram realizados vários ensaios experimentais para os diversos tipos de excentricidade, com diferentes valores de severidade e de cargas. Este estudo foi complementado com simulações em elementos finitos, que permitiram analisar o comportamento das forças magnéticas, essenciais para a estimação da vida útil dos rolamentos. Os resultados mostraram que para níveis de excentricidades inferiores a 33%, a potência mecânica, o rendimento e a temperatura não têm alterações assinaláveis, mas que conduzem, no entanto, a um desgaste acelerado dos rolamentos. No âmbito do estudo sobre excentricidade, foi, também, introduzido o conceito de centro térmico, que permite avaliar a assimetria térmica nos enrolamentos do motor. O terceiro estudo consistiu na avaliação do comportamento do motor de gaiola, da classe IE3, alimentado por uma fonte sinusoidal trifásica, para os casos de barras adjacentes e não adjacentes fraturadas, e para um anel fraturado. Com este propósito, foi concebida uma metodologia baseada em modelos de elementos finitos 2D e 3D. As simulações mostraram que a velocidade do motor diminui em linha com o número de barras fraturadas. Verificou-se de igual modo que a velocidade do motor oscila, para os casos da gaiola com avaria. O aumento do número de barras fraturadas levou a um aumento das perdas, à diminuição do rendimento, e por conseguinte ao aumento da temperatura no motor. Por último, o procedimento utilizado para simular fraturas na gaiola, que utiliza simultaneamente modelos 2D e 3D, revelou-se uma metodologia vantajosa em relação às encontradas na literatura, para o estudo térmico do motor, nestas condições de avaria. This thesis presents a research work on the performance and thermal behaviour of two types of three-phase induction motors in special operating conditions: two squirrel-cage motors, of IE2 and IE3 efficiency classes, and a wound rotor motor. The work is divided into three studies in order to fill some gaps existing in the literature. The first study was conducted under the project PTDC/EEA-EEL/100156/2008 - "Fault Diagnosis in High Power Drives Based on Multilevel Converters", funded by Fundação para a Ciência e a Tecnologia, and conducted in Instituto de Telecomunicações. This study aimed to evaluate the behaviour of IE2 and IE3 motors when fed by a three-level NPC fault-tolerant converter, operating in normal mode and in reconfiguration mode. In the first part of this study a large amount of data from experimental tests was processed and analysed. These tests were complemented by simulations based on finite element models to calculate the losses in the ferromagnetic cores of the motors. By this analysis it was found that when the motors are fed by the converter in reconfiguration mode, their losses and temperatures are higher and the efficiencies are lower. It was also verified that the IE3 efficiency class motor had a better performance compared to the IE2 efficiency class motor, for the same supply conditions. The goal of the second study was to evaluate the behaviour of a wound rotor induction motor, supplied by a sinusoidal three-phase voltage supply system, with static, dynamic and mixed eccentricities. For this purpose, several experimental tests were conducted for the three types of eccentricity, with different severity values, and for different motor load levels. This study was complemented by simulations using finite element models, which allowed the extrapolation of the case studies for high eccentricity conditions. These simulations also allowed to analyse the behaviour of the magnetic forces, which are essential for estimating the useful life of the motor bearings. The results showed that for eccentricities levels below 33%, the mechanical power, efficiency and temperature have no noticeable change, leading however to an accelerated wear of the bearings. Under the scope of this study, the concept of Thermal Centre was introduced, which allows to evaluate the thermal asymmetry in the motor windings under the presence of eccentricity. The third study aimed to evaluate the behaviour of an IE3 class squirrel-cage motor, supplied by a sinusoidal three-phase voltage supply system, for the cases of adjacent and non-adjacent fractured bars, and a fractured end-ring segment. With this purpose, a methodology based on 2D and 3D finite element models was conceived. The simulation results showed that the motor speed decreases with the increase of the number of fractured bars. It was also found that the motor speed oscillates in the case of a faulty cage. The increased number of fractured bars leads to an increase of the motor losses, a reduction of the efficiency, and therefore to a motor temperature rise. Finally, the procedure used to simulate the fractures in the cage, which simultaneously uses 2D and 3D models, has proven to be an advantageous method compared to those found in the literature for the thermal study of motors under these faulty conditions.

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

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra O capítulo 1 serve de introdução demonstrando a aplicação de acionamentos a velocidade variável, apresentando o motor síncrono de relutância como uma forte alternativa aos motores atualmente utilizados em aplicações industriais e de tração. São listadas as diversas vantagens de se optar por um acionamento sem sensor de posição. O capítulo 2 começa por apresentar os vários algoritmos existentes para estimar a posição e velocidade angular do rotor, listando os seus pontos fortes e as suas limitações. Em seguida apresenta-se a definição das coordenadas utilizadas e o modelo matemático do SynRM que tem como objetivo enquadrar o leitor e proporcionar uma melhor compreensão dos algoritmos apresentados posteriormente. Em seguida são descritos pormenorizadamente os algoritmos mais presentes na literatura para estimação da posição e velocidade angular do rotor em motores síncronos de relutância. São também listadas as limitações de cada método, principalmente no que diz respeito à gama de velocidade da máquina em que cada um pode operar, nas variáveis utilizadas e na possível interferência com o funcionamento normal do motor. No capítulo 3 é apresentada a estratégia de controlo selecionada e a exposição das suas vantagens. É também abordada a escolha dos estimadores a implementar neste trabalho. É feito um estudo das limitações introduzidas pelos estimadores no acionamento e as soluções para resolver essas limitações são apresentadas. Explica-se detalhadamente o projeto e a sintonização das malhas de controlo. Por fim é apresentado um diagrama geral do acionamento sem sensor de posição implementado de forma a dar ao leitor uma visão geral do mesmo. No capítulo 4 são apresentados alguns resultados relativos à simulação onde é comparado o desempenho dos estimadores com duas estratégias distintas. São elaboradas conclusões acerca da estratégia mais adequada para um acionamento sem sensor de posição e é apresentado um resultado com esta estratégia validando os algoritmos desenvolvidos para a implementação experimental. No capítulo 5 é feita uma breve descrição da constituição do acionamento, e são apresentados alguns resultados experimentais obtidos em diferentes regimes de carga e velocidade. É ainda feita uma comparação do sistema a funcionar com e sem sensor de posição e ensaios para avaliar o rendimento do motor. O capítulo 6 contém as principais conclusões retiradas da realização deste trabalho e apresenta sugestões de trabalho futuro. Chapter 1 serves as an introduction explaining the application of variable speed drives, presenting the Synchronous reluctance motor as a strong alternative for the motors used nowadays in industrial and traction applications. Then the advantages and the motivation for using an encoderless drive are presented. Chapter 2 starts by presenting a review on algorithms for estimation of the angular speed and rotor position, listing the main advantages and drawbacks of each category of algorithms. With the objective to help the reader in the comprehension of the algorithm presented the coordinates used along the work and the SynRM mathematical model with it’s main equations are presented. Then, some of the algorithms more present in the literature are described being also listed the main advantages and drawbacks of each one. Finally, hybrid strategies to combine two algorithms of different categories are presented and discussed. In chapter 3 it is presented the control strategy chosen, as well as the justification for its choice. It is also presented the justifications for the algorithms choice that were implemented in this work. Then, all the processes used to build and tune the control system are described. At last, the main diagram of the control system is presented in order to provide the reader with a big picture of it. In chapter 4, some simulation results are presented where the performance of the angular speed and position estimators is compared with two different strategies, thus explaining the main reason that lead to the use of the implemented control strategy. Results using this strategy along with the algorithms developed are then shown proving that it works and that it is able to be used in the practical implementation. In chapter 5 a brief description of the experimental setup is made. Then, experimental results for different load and speed conditions are shown. Some comparisons between the system working with and without encoder are made, identical results are obtained, thus validating the encoderless control strategy implemented. Chapter 6 contains the main conclusions achieved with this work as well as future work suggestions.

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

Dissertação de Mestrado em Energia para a Sustentabilidade apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

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Dissertação de mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Automação), apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Na actualidade, o desenvolvimento de frotas de veíıculos autónomos quer para transporte de passageiros quer para transporte de bens começa a tornar-se uma realidade. No enquadramento de tornar um veículo eléctrico capaz de navegar sozinho através de um percurso previamente definido, foi desenvolvido durante esta dissertação um sistema de controlo da direcção para um veículo autónomo. Este sistema só por si não permite a navegação autónoma, sendo necessária a integração noutros sistemas tanto de hardware como de software. Neste contexto foram desenvolvidos módulos de potência e de controlo baseados em microcontroladores PIC. Foram também desenvolvidos módulos de software utilizando o Framework ROS (Robot Operating System) que possibilitam a comunicação entre o software de controlo e o hardware. Esta dissertação foi realizada no âmbito do projecto EVSIM09-Modelos para simulação de tráfego de veículos eléctricos com comunicação e capacidade de decisão dinâmica (Projecto PTDC/SEN-TRA/099413/2008, 2010-12 ), financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). Nowadays, the development of a fleet of autonomous vehicles both for passengers and goods transportation is becoming a reality. Within the framework of making an electric vehicle to navigate autonomously on a predetermined route, it was developed during this dissertation a lateral control system. This system by itself doesn’t allow autonomous navigation, requiring the integration with other systems both hardware and software. Is this context power and PIC microcontrollers based control modules were developed. Were also developed software modules using ROS Framework (Robot Operating System) that enables communication between the control software and hardware. This thesis was performed in the framework of the project EVSIM09 - Models for traffic simulation of electric vehicles with communications and dynamic decision capacity (Project PTDC/SEN-TRA/099413/2008, 2010-2012), funded by Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT).