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Submitted by Gustavo Vargas De Souza (gustavo.vargas@unesp.br) on 2022-07-02T17:33:12Z No. of bitstreams: 1 Souza_gvs_me_ilha.pdf: 2046928 bytes, checksum: 38ca84c45eeefdf67fd3b3877e2c2403 (MD5) Approved for entry into archive by Joao Josue Barbosa (joao.barbosa@unesp.br) on 2022-07-02T19:00:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_gv_me_ilha.pdf: 2046928 bytes, checksum: 38ca84c45eeefdf67fd3b3877e2c2403 (MD5) Made available in DSpace on 2022-07-02T19:00:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_gv_me_ilha.pdf: 2046928 bytes, checksum: 38ca84c45eeefdf67fd3b3877e2c2403 (MD5) Previous issue date: 2022-05-05 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Nesta dissertação são analisados dois métodos de controle para o acionamento de um Motor de Indução Trifásico (MIT) com rotor gaiola de esquilo. O primeiro método se trata de um controlador convencional PI utilizado em conjunto com o controle vetorial orientado pelo fluxo do rotor, no qual é desenvolvida uma abordagem de projeto baseado em diagramas de Bode. O segundo método se trata do projeto de um controlador robusto designado como Controlador com Estrutura Variável e Modos Deslizantes Integral (do inglês, Integral Sliding Mode Control - ISMC) para rastreamento da velocidade e do fluxo, oferecendo robustez à incertezas paramétricas e à rejeição de distúrbios. Além do controlador ISMC, aplica-se os conceitos do Observador de Modos Deslizantes (do inglês, Sliding Mode Observer - SMO) para estimação da velocidade do rotor do MIT. Através de simulações via Simulink, constatou-se que o projeto dos controladores PI, usando a abordagem apresentada, facilita a determinação dos ganhos do controlador obtendo respostas ótimas, quando comparado a métodos heurísticos ou por tentativa e erro. As simulações para o controlador ISMC demonstraram que o mesmo auxilia na rejeição à distúrbios e variações paramétricas, promovendo uma resposta rápida e satisfatória, enquanto o observador SMO projetado fornecia, adequadamente, a velocidade estimada do rotor do MIT. In this thesis two control methods are analysed for driving a three-phase Induction Motor (IM) with a squirrel cage rotor. The first method is a conventional PI controller used in conjunction with rotor flux vector control in which a design approach based on Bode diagrams is developed. The second method is about the design of a robust controller, the controller with Variable Structure and Integral Sliding Mode (ISMC) for velocity and flow tracking, offering robustness to parametric uncertainties and disturbance rejection. Besides ISMC controller, the concepts of Sliding Mode Observer (SMO) are applied for rotor velocity estimation. Through simulations via Simulink it was found that the design of PI controllers using the presented approach facilitates the determination of controller gains, obtaining optimal responses when compared to heuristic or trial and error methods. The simulations for the ISMC controller showed that it helps in the rejection of disturbances and parametric variations, promoting a quick and satisfactory response, whilst the designed SMO observer properly provided the IM rotor estimated velocity. CAPES: 001

Este trabalho aborda a estimação dos parâmetros dos circuitos equivalentes de gaiola simples, dupla e tripla de máquinas de indução utilizando dados de catálogo, tais como corrente de partida, corrente nominal, corrente em vazio, torque de partida, torque má- ximo, torque nominal, rendimento nominal e fator de potência. Inicialmente, é proposto um problema de otimização que relaciona as expressões de regime permanente dos circuitos equivalentes com os dados de catálogo, cuja solução define os parâmetros estimados. Após, é feita a comparação entre as grandezas calculadas analiticamente usando as expressões dos circuitos equivalentes com os parâmetros estimados e as grandezas descritas no catálogo. Por fim, a última etapa de validação envolve a simulação dinâmica dos modelos de gaiola simples, dupla e tripla comparada com dados experimentais de partida em vazio dos motores testados. A principal contribuição dos resultados apresentados nessa dissertação é a possibilidade de utilizar os parâmetros estimados nas equações do modelo d-q da máquina de indução para reproduzir o comportamento dinâmico das correntes do estator durante o transitório da partida e em regime permanente utilizando diferentes circuitos equivalentes. Resultados experimentais de mais de 200 máquinas de indução demonstram que o método proposto fornece estimativas dos parâmetros que, quando utilizadas nos modelos de gaiola dupla e tripla, permitem uma reprodução mais acurada do comportamento real de máquinas de indução. This work addresses the parameter estimation of single-, double- and triple-cage models of induction motors using manufacturer data, such as starting current, rated current, no-load current, starting torque, maximum torque, rated torque, efficiency and power factor. Initially, an optimization problem is proposed that relates the steady-state expressions of the equivalent circuits with the manufacturer data, whose solution defines the estimated parameters. Then, a comparison is made between the quantities calculated analytically through the equivalent circuit expressions using the estimated parameters and the manufacturer data quantities. Finally, the last validation step consists of a comparison of dynamic simulation results obatined with the single-, double-, and triple-cage models with the measured no-load starting current data of all the tested motors. The main contribution of the results presented in this dissertation is the possibility of using the parameters estimated in the equations of the d-q model of the induction machine to reproduce the dynamic behavior of the stator currents during the transient of the startup and in the steady state using different equivalent circuits. Experimental results from over 200 induction motors demonstrate that the proposed method provides parameters that when used in the double- and triple-cage models, allow accurate prediction of the dynamic behavior of induction motors.

Consta no arquivo em PDF In industrial plants, engines are subject to failures that can cause production downtime causing economic losses. Predictive monitoring identifies these failures and reduces maintenance and operating costs. In this work, systems for monitoring and diagnosing faults in three-phase induction motors were developed based on the IEC 60034 and ISO 20816 standards. Through a pattern recognition neural network, the Operating Regions Diagnostic System classifies the region of operation of the motor. The Rotor Broken Bar Diagnostic System monitors the machine’s state through a recurring neural network of short-term long memory, identifying the number of broken bars on the rotor and the operating zone according to ISO 20816. Finally, the Diagnosis Fuzzy uses a neuro- fuzzy system to predict the motor reduction factor, predicting possible failures that occur due to voltage imbalance.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Na busca por um consumo de energia mais eficiente, ações voltadas para troca de motores de indução por motores mais eficientes em parques industriais com grande diversificação de motores, tem-se consolidado como um dos principais investimentos voltados à eficiência energética. Sob este prisma, o presente estudo tem o objetivo de determinar, com confiabilidade, informações relativas à viabilidade e rentabilidade da troca de motores elétricos por motores mais eficientes em parques industriais semelhantes de médio porte, situados em regiões distintas do Brasil, e assim, determinar em termos de rentabilidade econômica a melhor região do Brasil, na classe de consumo industrial, para realização da troca de motores de indução. Para tanto, dados de consumo e receita de energia elétrica (das concessionárias) foram coletados e estratificados. Com base nos mesmos, foram calculadas as taxas de escalada por região do Brasil. Por conseguinte, foi construído um simulador específico para automatizar a troca de motores. O mesmo leva em consideração análise do custo do ciclo de vida (CCV) para determinar a viabilidade técnico-econômica da troca. De maneira subsequente, fez-se a aplicação do simulador em um estudo de caso foi realizado com intuito de mostrar a validação dos valores encontrados e a eficácia do método aplicado. O estudo partiu da suposição de uma indústria de bens de consumo, de médio porte com duas filiais em regiões diferentes: Nordeste, Sudeste e Centro-oeste do Brasil. Os resultados se mostraram satisfatórios, uma vez que todos os objetivos propostos no trabalho foram atingidos. Dados referentes à viabilidade técnico-econômica mostraram que melhor região para realização da troca de motores para a classe de consumo industrial é a região centro-oeste do Brasil. Além disso, as variações nos valores de carregamento das opções de troca se mostraram decisivas na determinação da viabilidade dos motores substituídos In the search for more efficient energy consumption, actions aimed at replacement of induction motors for more efficient motors in industrial parks with a great diversification of motors have been consolidated as one of the main investments aimed at energy efficiency. From this perspective, this study aims to reliably determine information about the cost-effectiveness of replacement electric motors for more efficient motors in similar medium-sized industrial parks located in different regions of Brazil, and thus, determine in terms of economic profitability the best region in Brazil in the industrial consumption class to carry out the replacement of induction motors. For this purpose, electricity consumption and revenue data were collected and stratified. Based on them, the electricity escalation rate by region of Brazil were calculated. Therefore, a specific simulator was built to automate the replacement of electric motors. It takes into account life cycle cost analysis (LCC) to determine the technical-economic cost-effectiveness of the replacement. Subsequently, the simulator was applied in a case study that was carried out in order to show the validation of the values found and the effectiveness of the applied method. The study started from the assumption of a medium-sized consumer goods industry with two branches in different regions: Northeast, Southeast and Midwest of Brazil. The results proved to be satisfactory, since all the objectives proposed in the work were achieved. Data referring to technical-economic cost-effectiveness showed that the best region to carry out the replacement of electric motors for the industrial consumption class is the Midwest region of Brazil. Furthermore, variations in the loading values of the replacement options proved to be decisive in determining the viability of the replaced motors

State observers are dynamic models whose state variables are estimates of variables in a system. In a dynamic system not all states may be available for measurement. The cost of adding the necessary sensors may make the project unfeasible or it may be physically impossible to measure all the state variables. In this perspective, this work deals with the study and implementation of speed and flux observers applied to a three-phase induction motor with a 0.25 hp squirrel cage rotor (IM), aiming at speed sensorless control. The IM is driven by using the Indirect Field Oriented Control (IFOC) technique. Controllers are proportional-integral (PI) type tunned by pole allocation. Six distinct observers are implemented, three of which are classical observers in the literature, namely: MRAS; SMO; and EKF. The other three observers are obtained through combinations between the classical observers mentioned. The first of the combinations consists of using an SMO as a reference model for a classic MRAS observer. For the second combination, it is proposed to use an EKF observer combined with an MRAS observer. This combination results in excellent flux and speed responses, in addition to the simplification and elimination of an adaptation mechanism commonly found in MRAS topologies. For the third combination, it is proposed to use an EKF observer combined with an SMO, which shares the same advantages of the previous combination. The simulation results are auspicious, taking into account that the estimate resulting from the application of the proposed observers presents a negligible percentage error. The analysis of the quality of the output signal of the six observers is carried out by decomposing the signals into their frequency components (Fourier Transform). The observers proposed in this work have a low frequency content in the velocity variable. As a result, the robustness of the system becomes high, enabling the use of simpler controllers. The experimental results corroborate the analysis of the simulated results. The proposed observers (EKF combined with MRAS and EKF combined with SMO) present a reliable speed response to the identified system, in addition to better estimates of magnetic flux. The voltage sensor, necessary for the observers implementation, is replaced by the reconstructed voltages through the switching signal sent to the frequency inverter, thus achieving the elimination of the encoder and the voltage sensor. Os observadores de estados são modelos dinâmicos cujas variáveis de estado são estimativas das variáveis de um sistema. Em um sistema dinâmico nem todos os estados podem estar disponíveis para medição. O custo pela adição de sensores necessários pode inviabilizar o projeto ou, ainda, pode ser fisicamente impossível medir todas as variáveis de estado. Nessa perspectiva, este trabalho trata do estudo e da implementação de observadores de velocidade e de fluxo magnético aplicados a um motor de indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo (MIT) de potência nominal 0,25 cv, visando ao controle de velocidade sem a utilização de sensor mecânico sensorless. O MIT é acionado utilizando-se da técnica de controle vetorial indiretamente orientado pelo campo (IFOC). Os controladores são do tipo proporcional-integral (PI) projetados por alocação de polos. São implementados seis observadores distintos, três dos quais são observadores clássicos da literatura, a saber: MRAS; SMO; e EKF. Os outros três observadores são obtidos por meio de combinações entre os observadores clássicos citados. A primeira das combinações consiste na utilização de um observador SMO como modelo de referência para um observador MRAS clássico. Para a segunda combinação, propõe-se a utilização de um observador EKF combinado com um observador MRAS. Tal combinação resulta em excelentes respostas de fluxo e de velocidade mecânica, além da simplificação e eliminação de um mecanismo de adaptação comumente encontrado em topologias MRAS. Para a terceira combinação, propõe-se a utilização de um observador EKF combinado com um observador SMO, a qual compartilha das mesmas vantagens da combinação anterior. Os resultados de simulação são auspiciosos, tendo em conta que a estimativa decorrente da aplicação dos observadores propostos apresenta erro percentual desprezível. A análise da qualidade do sinal de saída dos seis observadores é feita mediante decomposição dos sinais em suas componentes de frequência (Transformada de Fourier). Os observadores propostos neste trabalho apresentam baixo conteúdo de frequência na variável velocidade. Como consequência, a robustez do sistema torna-se elevada, possibilitando a utilização de controladores mais simples. Os resultados experimentais corroboram as análises dos resultados simulados. Os observadores propostos (EKF combinado com MRAS e EKF combinado com SMO) apresentam resposta de velocidade fidedigna à do sistema identificado, além de melhores estimativas de fluxo magnético. O sensor de tensão, necessário para implementação dos observadores, é substituído pelas tensões reconstruídas por meio do sinal de chaveamento enviado ao inversor de frequência, logrando assim, a eliminação do sensor de velocidade (encoder) e do sensor de tensão.

Esta Tese aborda a estimação de parâmetros de máquinas de indução pentafásicas. Entre os principais objetivos e contribuições, destacam-se o estudo e desenvolvimento de novos métodos de estimação de parâmetros de máquinas de indução pentafásicas que utilizem ensaios simples e estimem tanto os parâmetros do circuito da onda fundamental da indução no entreferro quanto os parâmetros do circuito da componente de terceiro harmônico. O conhecimento acurado destes parâmetros é essencial para a implementação de diversas estratégias de controle com imposição de correntes com conteúdo harmônico para incremento da relação torque/corrente e para operação sob falta de fase. Dentro deste contexto, são propostos três novos métodos para a estimação dos parâ- metros de máquinas de indução pentafásicas. O primeiro método utiliza o conceito de impedância instantânea modificada e exige ensaios de partida em vazio com medições das tensões e correntes de fase do estator. Estes ensaios podem ser executados utilizando tensões senoidais, sendo neste caso necessários dois ensaios para estimar os parâmetros do circuito da onda fundamental da indução no entreferro e do circuito da componente de terceiro harmônico, ou então utilizando tensões trapezoidais geradas por inversor de frequência, possibilitando a estimação de todos os parâmetros com um único ensaio. O segundo método proposto envolve a identificação dos coeficientes de funções de transferência definidas para a máquina de indução pentafásica a partir da resposta a um degrau de tensão durante o qual o rotor permanece parado. A principal característica deste método é a consideração do impacto da saturação magnética nas estimativas dos parâmetros, para a qual é também apresentada uma análise com Elementos Finitos. Já o terceiro método é baseado no modelo de regime permanente senoidal em operação desbalanceada usando ensaios com o rotor parado, possuindo como principal característica a consideração do impacto que a frequência das tensões e correntes induzidas no rotor tem nos parâmetros, o que até o momento ainda não foi considerado por outros pesquisadores. A validação experimental dos três métodos propostos envolveu a estimação dos parâ- metros de dois protótipos de 4,5 kW e 5,5 kW, os quais foram utilizados em simulações do modelo d − q para comparação das correntes simuladas com as correntes medidas em ensaio, de forma a verificar indiretamente a acurácia dos métodos. Neste caso, observou-se que os melhores resultados são obtidos com o método baseado na impedância instantânea modificada; não obstante, bons resultados também foram obtidos com os demais métodos. Por fim, como exemplo de aplicação dos parâmetros estimados, também foi implementado um controle vetorial para o protótipo de 4,5 kW e medidas do desempenho em regime permanente deste protótipo foram determinadas. Ambos resultados comprovaram novamente a validade e acurácia dos métodos propostos. This Thesis addresses the estimation of the parameters of five-phase induction machines. The main objectives and contributions of this work are the development of new methods to estimate the parameters of induction machines that require simple tests and provide estimates of the parameters of both the fundamental and the third-harmonic components of the airgap induction. An accurate knowledge of these parameters is essential for the implementation of several control strategies with imposition of third-harmonic currents to improve the torque/current ratio and to the operation under open-phase fault. Therefore, three new methods are proposed to estimate of the parameters of fivephase induction machines. The first method uses the concept of modified instantaneous impedance and requires no-load startup tests with measurements of stator phase voltage and currents. These tests can be executed with sinusoidal voltages, with a separate test being required to estimate the parameters of each harmonic component of the airgap induction wave, or using trapezoidal voltages generated by a frequency inverter; in the latter case, all parameters are estimated from a single test. The second method is based on the identification of transfer functions derived for the five-phase induction machine that describe the machine behavior during a voltage step during which the rotor remains at standstill. The main characteristic of this method is that it includes the effects of the iron saturation in the estimated parameters. In addition, for this method, a Finite Element Analysis is presented to validate the proposed procedure. The third method consists of estimating the parameters using an algorithm based on the sinusoidal steady-state model for the unbalanced operation with the rotor at standstill. The most relevant characteristic of this method is the consideration of the frequency of the induced voltage and currents in the rotor cage on the estimated parameters, which has been up to now disregarded by other researchers. The three methods proposed here were experimentally validated based on results obtained with two prototypes of 4.5 and 5.5 kW. Further, the accuracy of the methods was indirectly confirmed from the simulation of the d − q model implemented with the estimated parameters and the measured voltages as input, followed by a comparison between measured and simulated currents. This comparison led to the conclusion that the most adequate set of parameters were obtained with the method based on the modified instantaneous impedance; nevertheless, acceptable set of parameters can also be obtained by using the other two methods. Finally, as application examples of the use of the estimated parameters, the 4.5-kW prototype was tested while running under a vector control scheme and its steady state characteristics were also determined. Both results proved once again the validity and accuracy of the proposed methods.

Submitted by Guilherme Beraldi Lucas (guilherme.beraldi@unesp.br) on 2020-12-30T12:07:54Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Guilherme_Beraldi.pdf: 11634955 bytes, checksum: 827c2583ce2632afa58977d37d2b041f (MD5) Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2021-01-05T20:15:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Lucas_gb_me_bauru.pdf: 11634955 bytes, checksum: 827c2583ce2632afa58977d37d2b041f (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-05T20:15:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lucas_gb_me_bauru.pdf: 11634955 bytes, checksum: 827c2583ce2632afa58977d37d2b041f (MD5) Previous issue date: 2020-10-29 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) A interrupção do funcionamento de um motor de indução trifásico (MIT) em uma linha de produção representa um alto custo operacional e financeiro. No entanto, estas máquinas estão frequentemente expostas a falhas mecânicas e elétricas que podem causar desde pequenos danos até a interrupção forçada de sua atividade. Esta conjuntura levou ao desenvolvimento de análises que utilizam diferentes sensores e técnicas de processamento de sinais com intuito de monitoramento dos MITs. Dentre elas, a análise de emissão acústica (EA) se destaca como uma ferramenta promissora e que se caracteriza por ser uma técnica não invasiva (TNI). Já o desequilíbrio de tensão (DT) é uma condição na alimentação elétrica da máquina e que, conhecidamente, é a origem de diversas falhas, entre elas o desgaste da isolação dos enrolamentos por efeito de sobreaquecimento, torque oscilatório e a diminuição da vida útil da máquina. Portanto, este trabalho propõe uma nova abordagem para o monitoramento dos DTs. Além de sua detecção e da identificação de qual fase foi afetada, foi também desenvolvido um sistema que possibilita a classificação de sua magnitude para MITs alimentados diretamente pela rede de baixa tensão. Para tanto, sensores piezoelétricos de baixo custo foram acoplados ao motor, tencionando a aquisição dos sinais de emissão acústica gerados como consequência dos DTs no equipamento. Para que fosse possível alcançar o diagnóstico proposto, foi desenvolvido um novo índice de análise dos sinais de EA baseado em técnicas avançadas de processamento de sinais como a Transformada Wavelet, energia do sinal de EA e a taxa de cruzamento por zero. Essas técnicas, além de possibilitarem o estudo de sinais transitórios e nãoestocásticos, também permitiram uma análise no domínio tempo-frequência dos sinais. Por fim, os resultados demonstraram que este método é capaz de detectar, identificar e classificar os DTs corretamente, o que comprova a eficiência da abordagem e dos sensores utilizados. The stoppage of a three-phase induction motor (TIM) on a production line represents a high operational and financial cost. However, these machines are often exposed to mechanical and electrical failures that can cause anything from minor damage to forced interruption of their activity. This situation has led to the development of analyses using different sensors and signal processing techniques for TIMs monitoring. Among them, acoustic emission analysis (AE) stands out as a promising tool that is characterized as a non-destructive technique (NDT). One of the most frequent anomalies, the voltage unbalance (VU) is a condition in the electrical supply that can cause winding insulation wearing due to overheating, torque oscillation, and the shortage of the machine working life. Therefore, this work proposes a new approach to detect the VUs events, identify which phase was affected by this unbalance, and classify the magnitude of the unbalanced voltage in TIMs directly powered by the low-voltage network. Thus, low-cost piezoelectric sensors were coupled to the motor, aiming to acquire the acoustic emission signals produced as a consequence of the VUs. In order to achieve the proposed diagnosis, a new AE signal analysis index was developed based on advanced signal processing techniques such as the Wavelet Transform, AE signal energy, and the zero-crossing rate. These techniques, besides enabling the study of transient and non-static signals, also allow a time-frequency domain analysis of the AE signals. Finally, the results stated that this method is capable of detecting, identifying, and classifying VUs correctly, which proves the efficiency of the approach. 88882.432803/2019-01

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In the present scenario rotating machines have been widely used in industry because of its relative simplicity, constructive robustness and low price. In this context, adequately characterize engine behavior in nominal operating conditions, as this mathematical modeling of these machines becomes interesting and can contribute to the implementation of a predictive control real-time, moreover, there fault detection possibility to, since the engine behavior change will be felt by the identified model. One way to get this mathematical structure is through their experimental data input and output, in order to identify systems is a good option as it studies ways to model and analyze systems, through its information input and output, with the aim of discovering knowledge standards. In this context, the work is to develop a mathematical model using system identification techniques in three phase induction machines through the experimental data with the objective to implement a model apt to behavior anticipate the three-phase induction motor application control for prediction. Moreover, it presents the importance of modeling the rotating machine, moreover, is demonstrated using the method of modeling identification system and a brief justification about ARX and ARMAX models. Also there was performed parametric estimation and then we performed a test to show the performance of the identification of the three-phase induction motor. No cenário atual as máquinas rotativas têm sido bastante utilizadas nas indústrias, devido a sua relativa simplicidade, robustez construtiva e baixo preço. Neste contexto, caracterizar adequadamente o comportamento do motor operando em condições nominais diários, visto isto a modelagem matemática destas máquinas se torna interessante podendo contribuir para a implementação de um controle preditivo em tempo real, além disso, existe a possibilidade de detecção de falhas, visto que a mudança de comportamento do motor será sentida pelo modelo identificado. Essas falhas se desencadeiam com o envelhecimento e com condições adversas as quais os motores são submetidos ao longo de suas vidas úteis. Uma forma de obter essa estrutura matemática é por meio de seus dados experimentais de entrada e saída, neste intuito a identificação de sistemas é uma boa opção visto que estuda formas de se modelar e analisar sistemas, por meio de suas informações de entrada e saída, com o objetivo de descobrir padrões de comportamento. Neste contexto, o trabalho consiste em elaborar uma modelagem matemática utilizando as técnicas de identificação de sistema em máquinas de indução trifásicas por intermédio dos dados experimentais com o objetivo de implementar um modelo apto a antecipar o comportamento do motor de indução trifásico com aplicação em controle por predição. Além disso, apresenta a importância de se modelar a máquina rotativa, além disso, é demonstrada a metodologia da modelagem utilizando identificação de sistema e uma breve fundamentação sobre os modelos ARX e ARMAX. Também realizou-se a estimação paramétrica e em seguida efetuou-se um teste para mostrar o desempenho da identificação do motor de indução trifásico. Mestre em Ciências

Submitted by Nadir Basilio (nadirsb@uninove.br) on 2021-10-05T15:40:55Z No. of bitstreams: 1 Kessia Lucas Rodrigues.pdf: 2468251 bytes, checksum: ab0eeecb65adaecea3c59cae35459fa0 (MD5) Made available in DSpace on 2021-10-05T15:40:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kessia Lucas Rodrigues.pdf: 2468251 bytes, checksum: ab0eeecb65adaecea3c59cae35459fa0 (MD5) Previous issue date: 2020-08-27 Three-phase induction motors are widely used in the production sector, for the most diverse segments, particularly given their robustness and relatively low cost when compared to machines of the same power. Measuring the rotation of its axis, for example, can assist in identifying the behavior of the motor, especially when it is subject to load conditions, or torque, different from those for which it was specified.In this sense, the present work proposes modeling oriented to the estimation of the rotation speed of the axis, of a three-phase induction motor with squirrel-cage rotor, using the Oriented Gradients Histogram technique, widely used in the image processing area and to predict the rotation speed of a neural network with the Levenberg-Marquardt algorithm was trained in different operational conditions.The results obtained allowed us to conclude that the use of histograms can serve to develop a computational system capable of estimating the axis rotation of an induction motor in real-time. Os motores de indução trifásicos são amplamente empregados no setor produtivo, para os mais diversos segmentos, particularmente dada a sua robustez e custo relativamente baixo quando comparado as máquinas de mesma potência. A medição da rotação do seu eixo, por exemplo, é capaz de auxiliar na identificação do comportamento do motor, especialmente quando este está sujeito a condições de carga, ou torque, diferentes daquelas pelas quais foi especificado. Neste sentido, o presente trabalho propõe uma modelagem orientada para a estimativa da velocidade de rotação de eixo, de um motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo, utilizando a técnica de Histograma de Gradientes Orientados, bastante utilizada na área de processamento de imagens e para fazer a predição da velocidade de rotação uma rede neural com o algoritmo de Levenberg-Marquardt foi treinada em diferentes condições operacionais. Os resultados obtidos permitiram concluir que o emprego dos histogramas pode servir para desenvolver um sistema computacional capaz de estimar a rotação de eixo de um motor de indução em tempo real.

Made available in DSpace on 2020-12-22T15:27:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 7388_15879.pdf: 2346702 bytes, checksum: cdb8de3d896b8a11b039464785f803ef (MD5) Previous issue date: 2020-03-11

A motivação principal do trabalho foi a hipótese de que um gerador de indução, devido à sua condição mais saturada, não teria seu comportamento adequadamente descrito pelo modelo clássico, já consagrado na análise de motores em regime permanente. Após a revisão bibliográfica foi então feita então uma abordagem analítica sobre conceitos ligados a harmônicas espaciais de fmm e de condutância magnética do entreferro. Também foram feitos estudos e implementações da modelagem analítica para cálculo de resistências, reatâncias de magnetização e de dispersão para levar em conta a possível modificação de parâmetros em função de saturação. Paralelamente a isto foram realizados ensaios de rotor bloqueado, a vazio e sob carga na condição de motor e de gerador com uma máquina comercial. Como os resultados das simulações apresentavam diferenças significativas com relação àqueles obtidos nos ensaios, principalmente na condição de escorregamento negativo, buscou-se na análise da máquina pelo método dos elementos finitos alguma informação. Apesar das informações obtidas serem relevantes elas não ajudaram a minimizar as diferenças entre ensaio e modelagem. O que mais conduziu à conclusão do estudo foi a consideração da variação da reatância de magnetização com a tensão de entreferro e da variação da reatância de dispersão da ranhura do rotor usando a abordagem das ranhuras fechadas com saturação da ponte da ranhura. Estas considerações, juntadas ao cálculo analítico das perdas suplementares e das correntes interbarras levaram ao modelo proposto final. As simulações e os ensaios no laboratório mostraram que o modelo proposto produz resultados mais confiáveis do que os obtidos pelo modelo clássico, na condição de motor e de gerador, confirmando a hipótese inicial. O modelo então, buscado inicialmente para o gerador, estendeu-se também para o funcionamento como motor onde apresentou ótimos resultados. The main motivation of the work was the hypothesis that an induction generator, due to its more saturated condition, would not have its behavior adequately described by the classic model, already enshrined in the analysis of motors in steady state. After the bibliographic review, an analytical approach was then made on concepts related to spatial harmonics of mmf and magnetic conductance of the air gap. Studies and implementations of analytical modeling were also carried out to calculate resistances, magnetization, and dispersion reactances to take into account the possible modification of parameters due to saturation. In parallel to this, tests were performed on locked rotor, at no-load and under load in the condition of motor and generator with a commercial machine. As the results of the simulations presented significant differences in relation to those obtained in the tests, mainly in the condition of negative slip, we sought in the analysis of the machine by the finite element method some information. Although the information obtained is relevant, it did not help to minimize the differences between testing and modeling. What most led to the conclusion of the study was the consideration of the variation of the magnetization reactance with the air gap voltage and of the variation of the dispersion reactance of the rotor slot using the closed slot approach with saturation of the slot bridge. These considerations, coupled with the analytical calculation of supplementary losses and interbar currents, led to the final proposed model. The simulations and tests in the laboratory showed that the proposed model produces more reliable results than those obtained by the classic model, in the condition of motor and generator, confirming the initial hypothesis. The model, initially sought for the generator, was extended to the operation as a motor where it presented excellent results.

O presente trabalho aborda a máquina de indução pentafásica operando sob falha sem controle, assim como com falha e com controle usando várias estratégias que reduzem a pulsação do torque produzida durante a falha. O tipo de falha considerada é a que interrompe a circulação de corrente em uma das fases do estator (fase aberta). O objetivo principal do presente estudo consiste em determinar os impactos da operação sob falha, com e sem controle, na distribuição da indução no interior da máquina, nas perdas magnéticas e no torque eletromagnético. São também propostos novos modelos para a distribuição da indução no interior da máquina; além disto, é proposto um novo modelo para a máquina operando em regime permanente senoidal. Para validar e testar os modelos desenvolvidos foram realizadas simulações com elementos finitos e ensaios com duas máquinas pentafásicas disponíveis no laboratório da UFRGS, sendo na sequência ambos resultados comparados com os obtidos com os modelos propostos. Os modelos para a distribuição da indução fornecem induções muito semelhantes às obtidas com o método dos elementos finitos. Além disto, o modelo proposto para o regime permanente possibilita que um número arbitrário de harmônicas da indução no entreferro seja considerado quando são calculadas as indutâncias mútuas entre o rotor e o estator. Nos modelos conhecidos, apenas a componente fundamental e a terceira harmônica da indução no entreferro acoplam magneticamente o rotor ao estator. Consequentemente, o torque e as correntes fornecidas pelo modelo proposto incluem os efeitos das harmônicas da indução produzidas pelos enrolamentos do estator e do rotor. Os resultados apresentados e discutidos neste trabalho mostram que a distribuição da indução e das perdas magnéticas mudam consideravelmente durante a operação sob falha. Entretanto, a variação total das perdas magnéticas é pequena, pois em algumas regiões as perdas aumentam enquanto que em outras as perdas diminuem. No estator, o conteúdo harmônico e a amplitude da indução em cada um dos dentes e em diferentes partes da coroa são alterados e, no rotor, a operação sob falha adiciona harmônicas de alta frequência ao conteúdo harmônico das induções nos dentes e coroas. The present work addresses the five-phase induction machine operating under fault without control, as well as under controlled faulty operation using several strategies that reduce the torque pulsation arising during the fault. The fault considered here concerns the interruption of the current in one of the stator phases (open-phase fault). The main objective of the study presented here is to determine the impacts of the operation under fault, with and without control, on the distribution of the induction inside the machine, on the magnetic losses, and the electromagnetic torque. Besides, new models are proposed to determine the distribution of the induction inside the machine; further, a new model for the machine operating under sinusoidal steady-state is also presented. To validate and test the developed models, simulations have been carried out with the finite element method using two five-phase machines available at UFRGS; further, several practical tests have been done with the referred machines, with practical results being subsequently compared with theoretical results obtained with the proposed models. The models for the induction distribution provide results very similar to those obtained with the finite element method. Besides, the proposed model allows the inclusion of an arbitrary number of air gap induction harmonics into the mutual inductances between the rotor and the stator. In the known models, only the fundamental and the third-harmonic components of the air gap induction magnetically couple the rotor to the stator. Consequently, the torque and currents provided by the proposed model include the effects of the induction harmonics produced by the stator and rotor windings. The results presented and discussed here show that the distribution of the induction and magnetic losses change considerably during operation under fault. However, the total magnetic losses change only by a small amount, which can be explained by the fact that in some regions inside the machine the losses increase while in others they decrease. In the stator, the harmonic content and the amplitude of the induction in each of the teeth and in different parts of the yoke change; furthermore, in the rotor, the faulty operation adds high-frequency harmonics to the harmonic content of the inductions in the teeth and yokes.

Induction motors are the most utilized electric machines in commercial and industrial applications and 90% of them are three-phase induction motors (TIM). Faults in three-phase induction motors (TIM) can lead to the shutdown of important industry sectors, causing financial and operational safety losses. The most common faults in these motors are the bearing ones, and most of the fault analysis techniques are based on fast Fourier transform, Wavelet and training algorithms, whose classifiers demand high computational effort. A large part of the studies developed in the analysis of failures in bearings through sound uses the combination of multisensory for comparison and synchronization between acquired signals. This paper presents an approach based on quantification of the chaotic behavior for the characterization of rigid ball bearing failure of a three-phase induction motor through the method called Signal Analysis based on Chaos using Density of Maxima (SAC-DM) using the sound signal emitted by the TIM. This technique is based on an algorithm that counts peaks of the motor acoustic signal in the time domain to detect faults using only a sensor and an algorithm with a low computational cost. For validation of the technique, healthy ball bearing experiments were performed, with internal and external race failure under three load conditions (0%, 50%, and 100%). The results demonstrated that the SAC-DM was able to detect the presence of bearing failures even with the TIM under variable load. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Motores de indução são as máquinas elétricas mais utilizadas em aplicações comerciais e industriais, 90% são constituídos por motores de indução trifásico (MIT). Falhas em MIT podem ocasionar a parada de setores importantes de uma indústria, refletindo em prejuízos financeiros e de segurança operacional. As falhas mais frequentes nesses motores são de rolamentos e a maioria das técnicas de análise de falhas em rolamentos são baseadas em transformada rápida de Fourier, wavelet e algoritmos de treinamento, cujos classificadores demandam esforço computacional elevado. Aliado a este fato, grande parcela dos estudos desenvolvidos na análise de falhas em rolamentos através do som utilizam a combinação de multisensores para fins de comparação e sincronização entre os sinais adquiridos. Este trabalho apresenta uma abordagem baseada na quantificação do comportamento caótico para a caracterização de falhas em rolamento rígido de esferas de um motor de indução trifásico através do método designado por Signal Analysis based on Chaos using Density of Maxima (SAC-DM), utilizando o som emitido pelo motor. Essa técnica baseia-se em um algoritmo que realiza a contagem de picos do sinal sonoro do motor no domínio do tempo a fim de detectar falhas, utilizando apenas um sensor e um algoritmo com baixo custo computacional. Para validação da técnica foram realizados experimentos com rolamento saudável, com falha na pista interna e externa sob três condições de carga (0%, 50% e 100%). Os resultados demonstraram que o SAC-DM foi capaz de detectar a presença de falhas no rolamento mesmo com o motor sob carga variável.

Submitted by Nadir Basilio (nadirsb@uninove.br) on 2022-08-08T21:24:04Z No. of bitstreams: 1 André Clemente de Lira.pdf: 5116826 bytes, checksum: 03d567b659757ec84bb54d642b5ab225 (MD5) Made available in DSpace on 2022-08-08T21:24:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 André Clemente de Lira.pdf: 5116826 bytes, checksum: 03d567b659757ec84bb54d642b5ab225 (MD5) Previous issue date: 2019-03-11 The polyphase induction machines have a huge application in several production field of society, specially the squirrel cage induction motor due to its robustness, its low cost and reliability. However, certain motors often work above the operational condition in which they were specified. In this sense, it is worth mentioning the necessity in knowing the rise internal temperature of induction motors for determined applications, since its overheating causes not only the reduction of the insulation life, it can also cause a reduction of machine’s efficiency. some techniques search for finding the temperature rise on stator winding invasively, such as by installing thermal sensors in huge machines, by the utilization of DC injection, thermal modeling and through machine thermal rise tests. In accordance with showed above, the proposed work offers the utilization of a regression algorithm to estimate, non-invasively, the rise temperature in stator of a polyphasic induction motor by using only easy acquisition magnitudes, such the phase current and the surface carcass temperature. For this purpose, one regression algortihm was considered, being the normal equation. the experimental temperature data, collected from a 7.5 kW polyphasic induction motor which is installed in laboratory, were compared with those estimated by the proposed regression algorithm. the found results show a good accuracy reached to the statistical models, suggesting that the approach can represent an interesting non-invasive alternative, in order to estimate the internal rise temperature of a polyphasic induction motor. As máquinas de indução polifásicas possuem uma grande aplicação nos mais diversos segmentos produtivos da sociedade, e em especial os motores de indução trifásicos com rotor gaiola de esquilo, devido a sua robustez, baixo custo e confiabilidade. Todavia, tais motores muitas vezes operam acima das condições operacionais pelas quais foram especificados. Neste sentido, vale ressaltar a necessidade em se conhecer a elevação de temperatura no interior dos motores de indução para determinadas aplicações, uma vez que o seu sobreaquecimento provoca não apenas uma redução na vida útil dos isolamentos, mas também uma perda de eficiência da máquina. Algumas técnicas buscam estimar a elevação da temperatura no corpo do estator de forma invasiva, como a instalação de sensores térmicos em máquinas de grande porte, a injeção do sinal DC, a modelagem matemática térmica da máquina, ou ainda a partir de ensaios de aquecimento. Face ao exposto, o presente trabalho propõe a utilização de um algoritmo de regressão, utilizando a equação normal, a fim de estimar de modo não-invasivo a elevação da temperatura no estator de um motor de indução trifásico usando apenas grandezas de fácil aquisição, tais como a corrente de fase e a temperatura na superfície da carcaça. Os valores experimentais da temperatura, coletados em um motor de indução trifásico de 7.5kW, instalado em laboratório, foram comparados com os aqueles estimados pelo algoritmo de regressão proposto. Os resultados obtidos mostram a boa acurácia alcançada para o modelo estatístico desenvolvido, o que sugere que tal abordagem pode representar uma alternativa interessante para a estimativa da elevação de temperatura no interior de um motor de indução trifásico.

This work aims to study and test a conversion topology that fits the use in isolated photovoltaic generation systems driving induction motors on water pumping applications, with emphasis on low cost, easy maintenance and relative energy and operation efficiency. The characteristic of the design specifications to be experienced follows specials criteria such as safety, economy, small size, operability and satisfactory efficiency. The model to be experienced consists of a microprocessor controlled converter for maximum power transference of a PV generator to an industrial inverter, which triggers a commercial electric pump coupled to a three-phase induction motor, both of easy availability in the local market. Simulations and evaluations were performed using math and electrical circuit simulation softwares. The power circuits were evaluated and designed to be tested in the laboratory, with its results registered and demonstrated. To perform the experiment the following equipment and devices were used: PV array emulator E4360A - KEYSIGHT, push-pull type dc-dc isolated converter powered by current, a Texas Instruments´s (TIVA) 120 MHz processor, besides conditioned circuits of sensoring and driving. The microprocessor will perform control tasks for generator maximum power points by converter switchings. The inverter will perform load power control for nominal voltage parameter. Results and technical considerations will be presented. Nenhuma Este trabalho objetiva estudar e ensaiar uma topologia de conversão que se adeque à utilização em sistemas isolados de geração fotovoltaica e, contemple o acionamento de motores de indução trifásicos com aplicação ao bombeamento de água, com ênfase no baixo custo aquisitivo, fácil manutenção e relativa eficiência energética e operacional. As características do projeto estudado e experimentado seguem critérios específicos como: segurança, economicidade, dimensões reduzidas, operacionalidade e eficiência satisfatória. O modelo consiste de um conversor controlado por microprocessador projetado para transferir a máxima potência gerada por um arranjo fotovoltaico para suprir um inversor industrial no acionamento de uma eletrobomba, também do tipo comercial, com um motor de indução trifásico, ambos de fácil disponibilidade no mercado local. Foram realizadas simulações e avaliações com a utilização de softwares matemáticos e de simulação de circuitos elétricos. Os circuitos elétricos de potência foram pesquisados e projetados para serem testados em laboratório, e os resultados registrados. Para a realização do experimento foram utilizados equipamentos e dispositivos tais como: emulador de gerador fotovoltaico E4360A - KEYSIGHT, conversor cc-cc elevador, tipo push-pull alimentado por corrente, microprocessador de 120 MHz (TIVA) da Texas Instruments além de circuitos condicionadores de medição e acionamento de chaves. O microprocessador realizará as tarefas de controle do ponto de máxima potência (MPP) do gerador e demais proteções do sistema (desligamento). O controle da tensão do barramento de saída será realizado pelo inversor comercial parametrizado com estratégias de controle tipo escalar, controlando a potência consumida pela carga. Os resultados do estudo e ensaio serão demonstrados e comentados.

Submitted by Nadir Basilio (nadirsb@uninove.br) on 2022-08-15T17:51:35Z No. of bitstreams: 1 Rodrigo Cardozo de Jesus.pdf: 15238624 bytes, checksum: 2db116d33f4373261372fc883494941c (MD5) Made available in DSpace on 2022-08-15T17:51:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigo Cardozo de Jesus.pdf: 15238624 bytes, checksum: 2db116d33f4373261372fc883494941c (MD5) Previous issue date: 2019-01-31 Detection of failures in three-phase squirrel-cage induction motors has shown increasing interest in recent years, especially in the study and implementation of new diagnostic techniques, given their use in the industrial segment worldwide. Among the existing faults, stands out the rupture of one or more bars that are part of the machine's rotor cage. One of the most studied techniques in the literature, and still used today for the detection of broken rotor bars, is the electric current signature analysis of one of the motor phases, in order to nd certain harmonics that indicate the presence of the defect. This technique uses the Fast Fourier Transform for the analysis of harmonic components, and other more recent studies have employed, for example, the Hilbert Transform, in order to improve the frequency signal resolution, as well as the use of statistical measures to nd some parameters of the motor current signal, in the condition of a defective rotor. In addition, other researches have investigated the use of machine learning techniques to aid in the evaluation of machine conditions, based on the characteristics extracted in the time and frequency domains. Thus, the present work developed a comparative study between some signal processing techniques, used in the diagnosis of broken rotor bars, and the machine learning algorithms most used in the monitoring and diagnosis of failures in induction motors. These algorithms were parameterized in several conditions and it was possible to compare not only the accuracy of each model, but also the false positive and false negative rates in each case. The results showed that the use of the statistical characteristics with those extracted in frequency domains presented the best performance. Experiments with a 7:5 kW motor, for several load conditions, and especially at low load, would allow to evaluate the best combination of the aforementioned techniques for the detection and classi cation of the defect in the rotor cage . A detecção de falhas em motores de indução trifásico do tipo gaiola de esquilo revelou um interesse crescente nos últimos anos, especialmente pelo estudo e a implementação de novas técnicas de diagnóstico, dada a sua utilização no segmento industrial em todo o mundo. Dentre as falhas existentes, destaca-se o rompimento de uma ou mais barras que fazem parte da gaiola rotórica da máquina. Uma das técnicas mais estudadas na literatura, e empregadas ainda hoje, para a detecção de barras quebradas, é a análise da assinatura da corrente elétrica de uma das fases do motor, a m de encontrar determinadas harmônicas que indicam a presença do defeito. Esta técnica utiliza a Transformada Rápida de Fourier para a análise das componentes harmônicas, e outros estudos mais recentes empregaram, por exemplo, a Transformada de Hilbert, de modo a melhorar a resolução em frequência do sinal, bem como o uso de medidas estatísticas para encontrar alguns parâmetros do sinal de corrente do motor, na condição de rotor defeituoso. Adicionalmente, outras pesquisas têm investigado o uso das técnicas de aprendizagem de máquina para auxiliar na avaliação das condições do motor, a partir das características extraídas nos domínios do tempo e da frequência. Deste modo, o presente trabalho desenvolveu um estudo comparativo entre algumas técnicas de processamento de sinais, usadas no diagnóstico de barras rotóricas quebradas, e os algoritmos de aprendizagem de má- quina mais empregados no monitoramento e diagnóstico de falhas em máquinas elétricas. Tais algoritmos foram parametrizados em diversas condições sendo possível comparar não apenas a acurácia de cada modelo, mas também as taxas de falso positivo e falso negativo em cada caso. Os resultados obtidos mostraram que o uso das características estatísticas em conjunto com aquelas extraídas em frequência apresentou a melhor performance. Os experimentos realizados com um motor de 7:5 kW, para diversas condições de carga do motor, e especialmente em baixa carga, permitiriam avaliar assim a melhor combinação das aludidas técnicas para a detecção e a classi cação do defeito na gaiola rotórica.

Dissertação de mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, Grande parte da energia elétrica consumida em todo o mundo está relacionada com o uso de motores elétricos, concretamente com o uso de motores de indução trifásicos em aplicações industriais. O acionamento destes motores por variadores eletrónicos de velocidade (VEVs) é uma solução relativamente recente, no entanto, já bastante utilizada na indústria. Por norma, os VEVs para motores de indução empregam uma ponte retificadora a díodos com o intuito de fornecer potência ao barramento CC a partir da rede elétrica. Apesar de este tipo de retificadores ser uma solução económica, estes contribuem para a degradação da qualidade de energia elétrica, dado que consomem correntes com elevado conteúdo harmónico que, por sua vez, provocam distorções na forma de onda da tensão e baixo fator de potência a montante do VEV. Além disso, não permitem inverter o fluxo de energia, tornando, por isso, inviável o processo de travagem regenerativa. Os conversores CA-CC ativos, ou retificadores ativos, surgem desta forma como solução aos problemas de qualidade de energia elétrica dos conversores CA-CC tradicionais, permitindo o consumo de corrente sinusoidal, com fator de potência unitário, o controlo da tensão ou corrente do barramento CC e um fluxo bidirecional de potência. Deste modo, a presente dissertação visa o estudo teórico, implementação e respetiva comprovação experimental de um acionamento eletrónico de velocidade variável, com conversor CA-CC ativo trifásico e conversor CC-CA trifásico do tipo fonte de tensão, para motores de indução. A solução proposta é capaz de permitir, para além do controlo da velocidade de rotação do motor, o arranque e paragem suave, a troca rápida de velocidade (na qual se inclui também a inversão do sentido de rotação), consumo de correntes sinusoidais, equilibradas e em fase com as tensões da rede elétrica e ainda a operação no modo bidirecional, viabilizando a injeção de energia à rede elétrica em processos de travagem ou inversão de velocidade do motor., A large amount of the electricity consumed worldwide is related to the use of electric motors, specifically with the use of three-phase induction motors in industrial applications. The use of variable speed drives (VSDs) in these motors is a relatively recent solution, however, already widely used in the industry. Normally, the VSDs for induction motors employ a diode bridge rectifier in order to supply power to the DC-link from the electrical power grid. Although this type of rectifiers is an economical solution, they contribute to the degradation of the electric power quality, since they consume currents with high harmonic content that, consequently, cause distortions in the voltage waveforms and low power factor upstream the VSD. In addition, they do not allow the energy flow to be reversed, making the regenerative braking process impracticable. The active AC-DC converters, or active rectifiers, appear as a solution to the electrical power quality problems of traditional AC-DC converters, allowing a sinusoidal current consumption, with unitary power factor, voltage or current control of the DC-link and a bidirectional power flow. Thus, the present dissertation aims at the theoretical study, implementation and respective experimental verification of an electronic variable speed drive (VSD) for induction motors using a three-phase active AC-DC converter and a three-phase DC-AC converter of the voltage source type. Besides controlling the rotational speed of the motor, the proposed solution is capable of allowing the start and soft stop, quick speed changes (which also includes the reversal of the rotation direction), sinusoidal current consumption in phase with the power grid voltage and also the operation in bidirectional mode, making possible the injection of energy into the power grid in breaking processes or motor rotation reversal., Este trabalho de mestrado está enquadrado no projeto de IC&DT “Quality4Power - Enhancing the Power Quality for Industry 4.0 in the era of Microgrids”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI-EEE/28813/2017., Este trabalho de mestrado está enquadrado no projeto de IC&DT “DAIPESEV – Development of Advanced Integrated Power Electronic Systems for Electric Vehicles”, financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia, com a referência PTDC/EEI‑EEE/30382/2017.

Este trabalho apresenta um histórico do circuito equivalente da máquina de indução trifásica, incluindo a abordagem moderna, a teoria dos eixos e o modelo em regime permanente. Apresenta também uma análise que observa os efeitos da variação da resistência do rotor e das reatâncias de estator e de rotor em diversos modelos do circuito equivalente. Propõe-se uma metodologia para a determinação de parâmetros de circuito equivalente de forma a representar o efeito de componentes harmônicos de força magnetomotriz de entreferro. A inclusão do efeito pelicular é discutida e propõe-se a inclusão deste no circuito equivalente em que há a representação dos efeitos harmônicos. São ilustrados os circuitos equivalentes para solução do problema e a forma de cálculo de parâmetros e de torque. A partir desta metodologia é feita uma segunda análise do circuito variando os mesmos parâmetros da primeira análise. São analisados dois exemplos de motores para ilustrar e validar a metodologia e análises. This paper presents a historical equivalent circuit of the three-phase induction machine, including the modern approach, the theory of the axes and the model in steady state. Also presented is an analysis that observes the consequent effects of the variation of the rotor resistance and the reactances of the stator and the rotor in several models of the equivalent circuit. A methodology is proposed for the determination of equivalent circuit parameters in order to represent the effect of harmonic components of the air gap magnetomotive force. The inclusion of the skin effect is discussed and it is proposed that inclusion of the equivalent circuit in which there is a representation of the harmonic effects. Is proposed equivalent circuits for solving the problem and computing the parameters and torque are illustrated. From this methodology a second analysis of the circuit is made by varying the same parameters of the first analysis. Two examples of engines are used to illustrate and validate the methodology and its analysis.

Resumo O artigo descreve o desenvolvimento e construção de um motor aberto de indução trifásico de baixo custo para o ensino do eletromagnetismo nas disciplinas de física e máquinas elétricas de cursos técnicos. Na construção do protótipo foram usados materiais de sucata de estabilizador de tensão. Os computadores atuais possuem fontes internas chaveadas com tecnologia avançada que dispensa o uso dos módulos estabilizadores de tensão. Com isso, muitos desses módulos não são mais usados, tornando-se sucatas e gerando problemas de descarte para o meio ambiente. O motor foi implementado e funciona satisfatoriamente para a finalidade a que se destina. O protótipo desenvolvido é usado nas aulas práticas de eletromagnetismo e de máquinas elétricas dos cursos técnico e tecnológico em automação industrial. Nessas aulas são abordados diversos fenômenos do eletromagnetismo que o motor de indução experimenta. Abstract The paper describes the development and construction of a low-cost three-phase induction open motor for the teaching of electromagnetism in the disciplines of physics and electrical machines of the technical courses. Voltage stabilizer scrap materials were used in the construction of the prototype. Today's computers have built-in power supplies with advanced technology that eliminates the use of voltage stabilizer modules. As results, many of these modules are no longer used, becoming scrap and generating disposal problems for the environment. The motor was implemented and works satisfactorily for the intended purpose. The prototype is used in the practical classes of electromagnetism and electric machines of the technical level courses in electrotechnology and technology in industrial automation. In these classes several phenomena of electromagnetism related with the induction motor are discussed.

Three-phase induction motors are probably today the most important rotary machines in the industrial sector since they are widely used in the most varied applications and are present in almost all types of drives.It is estimated that almost 80% of the total electric motors used in the industry for transformation from electrical energy to mechanical energy are Induction Engines. Of course this provides the search for tools that offer greater efficiency and safety to engine maintenance systems. A problem of fundamental importance in the predictive maintenance process of these electric motors is the detection of failures in advance to avoid the production stoppage. This work proposes to detect faults in the rotor bars. In the state of the state there are several techniques covered, some using the engine in its steady state and others using the engine starting. In all of them the detection of the fault in the bar occurs, at its best, after the complete failure of the first bar. This work, then, proposes a new methodology for detecting the failure of the bar when it has not yet completely failed, but with increased resistance in the failed bar circuit. For this, a Gaussian bandpass filter with optimized selection of bandwidth and frequency bandwidth was used.This filter acts as an optimization of the Discrete Wavelet Transform and detects the presence of the fault in the bar using the motor start signal. The proposed technique was applied in motors with rotors manufactured by the company WEG specifically for this work and with previously known characteristic faults and was also applied in simulated rotors. The quantification of the degree of fault severity was done using the Teager Energy tool. The experiments were done through simulations in a mathematical simulation software and in real engines with bench tests and the results proved the effectiveness of the proposed method. Os motores de indução trifásicos são provavelmente hoje as máquinas rotativas mais importantes no setor industrial já que são amplamente utilizados nas mais variadas aplicações e estão presentes em praticamente todos os tipos de acionamentos. Estima-se que quase 80% do total de motores elétricos usados na indústria para transformação de energia elétrica em energia mecânica são de Indução. Naturalmente isso proporciona a busca por ferramentas que ofereçam maior eficiência e segurança aos sistemas de manutenção dos motores. Um problema de fundamental importância no processo de manutenção preditiva desses motores elétricos, é a detecção de falhas de maneira antecipada para evitar a parada de produção. Esse trabalho se propõe a detectar falhas nas barras dos rotores. Na literatura existem várias técnicas abordadas, algumas usando o motor em seu estado estacionários e outras utilizando a partida do motor. Em todas elas a detecção da falha na barra acontece, em seu melhor caso, após a falha completa da primeira barra. Esse trabalho, então, propõe uma nova metodologia para detecção da falha na barra quando essa ainda não estiver completamente falhada, mas com aumento da resistência no circuito da barra falhada. Para tal, utilizou-se um filtro passa faixa gaussiano com seleção otimizada da largura de faixa e largura de banda de frequência. Esse filtro funciona como uma otimização da Transformada Wavelet Discreta e detecta a presença da falha na barra utilizando o sinal de partida do motor. A técnica proposta foi aplicada em motores com rotores fabricados, pela empresa WEG, especificamente para esse trabalho e com falhas características previamente conhecidas e também foi aplicada em rotores simulados. A quantificação do grau de severidade da falha foi feita utilizando a ferramente de Energia Teager. Os experimentos foram feitos através de simulações em um software de simulação matemática e em motores reais com testes em bancada e os resultados comprovaram a eficácia do método proposto. São Cristóvão, SE

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018. O uso de cargas monofásicas desequilibradas, o aumento de cargas não lineares e de fontes renováveis no sistema elétrico, dentre outras causas, têm contribuído para o surgimento de fenômenos como o desequilíbrio de tensão e a distorção harmônica nas redes de distribuição. Tais distúrbios causam impactos significativos na operação do motor de indução trifásico (MIT). Dado que essa máquina possui grande representatividade elétrica e econômica nos processos industriais, torna-se relevante o conhecimento do seu comportamento frente à ocorrência dos mencionados desvios de qualidade da energia. Os dispositivos normativos vigentes, nacionais e internacionais, indicam limites individualizados para cada um desses fenômenos. No entanto, verifica-se corriqueiramente a sua ocorrência simultânea nos sistemas elétricos. Considerando os aspectos ora mencionados, este trabalho apresenta os resultados do comportamento da temperatura de operação do motor de indução trifásico submetido a variados níveis de desequilíbrios de tensão e de distorção harmônica, aplicados individualmente e concomitantemente. Inicialmente, a metodologia empregada faz uso de um modelo térmico computacional capaz de identificar a temperatura de operação da máquina sob condições não ideais, com base em dados de entrada de corrente elétrica. Em seguida, são então apresentados resultados para a temperatura de operação sob condições desequilibradas e distorcidas. Com base nos dados obtidos, torna-se possível a verificação da adequabilidade de indicadores e limites normativos existentes relacionados a esses distúrbios. Adicionalmente, é efetuada a análise do desempenho de dois indicadores alternativos utilizados para a representação conjunta dos mencionados fenômenos. The use of unbalanced single-phase loads, the increase of nonlinear loads and renewable sources in the electrical system, among other causes, have contributed to the appearance of phenomena such as voltage unbalance and harmonic distortion in the distribution networks. Such disturbances cause significant impacts on the operation of the three-phase induction motor (MIT). Given that this machine has great electrical and economical representation in the industrial processes, it becomes relevant the knowledge of its behavior against the occurrence of the mentioned Power Quality disturbances. The current regulatory items, national and international, indicate individual limits for each of these phenomena. However, their simultaneous occurrence in electrical systems is usual. Considering the aspects mentioned, this work presents the results of the behavior of the operating temperature of the three-phase induction motor subjected to varying levels of voltage unbalance and harmonic distortion, applied individually and concomitantly. Initially, the methodology employed makes use of a computational thermal model capable of identifying the operating temperature of the machine under non-ideal conditions, based on data of electric current input. Thereafter, results are presented for the operating temperature under unbalanced and distorted conditions. Based on the data obtained, it becomes possible to verify the adequacy of indicators and existing regulatory limits related to these disturbances. In addition, the performance of two alternative indicators used for the joint representation of these phenomena is analyzed.

Three-phase induction motors (TIM) are considered the core of the plants, being present in almost every production process and being responsible for two-thirds of the electric energy consumption in the industrial environment. Monitoring the magnitudes of threephase induction motors, such as torque, speed, and efficiency are essential to maintaining an operating productive process. Having a precise speed value permits to get a greater control over the process in which the TIM is located. Torque monitoring allows avoiding shaft breaks and stops, besides reducing maintenance costs. Efficiency monitoring allows establishing an energy balance of the three-phase induction motor, reducing electric energy waste. However, the equipment utilized to perform these evaluations is expensive and a lot of times it is unfeasible due to difficulties to couple them to the TIM, which results in a great invasiveness of the motor. In the present work, a new non-invasive system based on the analysis of the sound from the operating TIM was developed, allowing to estimate speed, torque and efficiency. The air gap torque, due to its low rate of invasiveness of the motor, was utilized as a comparison method, from which torque and efficiency were estimated. In order to validate the new method, it was utilized an automated torque test bench in which speed values, torque, and efficiency were measured directly from the TIM shaft. The programs Labview™ and Matlab were used to acquire the signals and to process the data, respectively. After the analysis of the collected data, it was possible to compare the implemented methods and to validate the proposed method. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Os motores de indução trifásicos (MIT) são considerados a espinha dorsal da indústria estando presentes em praticamente todos os processos de produção e respondendo por dois terços do consumo de energia elétrica em ambiente industrial. Monitorar as grandezas do motor de indução trifásico como: torque, velocidade e eficiência são essenciais para manter um processo produtivo operante. Com um valor preciso da velocidade é possível ter maior controle sobre o processo no qual o MIT está inserido, já o monitoramento do torque possibilita evitar quebras de eixos e paradas na planta, além de reduzir custos com manutenção, o monitoramento da eficiência por sua vez, permite fazer um balanço energético do motor de indução trifásico, reduzindo o desperdício de energia elétrica. Entretanto, os equipamentos utilizados para fazer tais levantamentos são custosos e muitas vezes inviáveis devido às dificuldades de acoplálos ao eixo do MIT, o que confere grande invasão ao motor. No presente trabalho, um novo sistema totalmente não invasivo baseado na análise do som emitido pelo MIT em funcionamento foi desenvolvido, permitindo estimar a velocidade, torque e eficiência. O torque no entreferro, devido seu baixo índice de invasão ao motor, foi utilizado como método de comparação, onde se estimou o torque e a eficiência. Para validar o novo método, foi utilizada uma bancada de torque controlável onde os valores de velocidade, torque e eficiência poderam ser medidos diretamente a partir do eixo do MIT. Os softwares Labview e Matlab foram utilizados para a aquisição dos sinais e para o processamento dos dados, respectivamente. Após a análise dos dados coletados, foi possível comparar os método implementados e validar o novo método proposto.

Nesta dissertação é criada uma metodologia de projeto de motores de indução anelares, destinados a ser utilizados como propulsor em embarcações com acionamento elétrico. Pretende-se com esta metodologia, dimensionar um motor anelar utilizando uma técnica de cálculo iterativo baseada em elementos finitos. Para tal, começa-se com a criação de um algoritmo de cálculo iterativo, onde são estabelecidos os parâmetros e restrições iniciais para a criação do desenho do motor. O desenho do motor é feito de forma automática mediante o uso de expressões matemáticas. Com o modelo de elementos finitos do motor anelar já criado, calculam-se os parâmetros do circuito equivalente a fim de se obter um modelo do motor. O modelo equivalente é utilizado para determinar o comportamento do motor sem se recorrer à construção de um protótipo. Se o modelo do motor criado não corresponder às necessidades do projeto em estudo, volta-se à etapa inicial onde os parâmetros e restrições iniciais sofrem variações até se conseguir o resultado pretendido. No sistema tradicional, o propulsor do navio (o hélice) é acionado com o veio de um motor localizado no interior do navio, enquanto que no caso em estudo o motor e o hélice são um mecanismo único. Ou seja, o motor faz parte do hélice e como é obvio funciona submerso. Isto traz uma série de vantagens, entre as quais, menor ruído e melhor transmissão do calor produzido no rotor, devido às perdas, para o meio ambiente. Esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No primeiro capítulo está a introdução onde se dá uma visão geral do projeto, o segundo capítulo é dedicado à metodologia de projeto do motor-hélice em estudo, no terceiro capítulo fala-se da implementação do algoritmo, o quarto capítulo é dedicado à simulação do motor anelar, e o último e quinto capítulo dedicado à conclusão e trabalhos futuros.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015. A estabilidade transitória de qualquer sistema elétrico de potência ou industrial para grandes perturbações eletromagnéticas sempre foi objeto de estudo e fundamental na elaboração de um projeto e para a operação de um sistema elétrico. Nos sistemas elétricos industrias de unidas estacionárias de produção (UEP), há aspectos peculiares que também devem ser avaliados. Atualmente, existem softwares comerciais dedicados a estudos elétricos desses sistemas, pois aqueles que são utilizados em sistemas de potência tradicionais são limitados para uso direto em sistemas industriais tipo UEP. Esta dissertação apresenta estudo para uma UEP, no qual avaliam-se aspectos relacionados à estabilidade do sistema sob condições que são impactantes, sobretudo durante a partida direta de motor de grande porte e curtos-circuitos. Os principais componentes do sistema, como geradores síncronos e motores de indução são modelados em detalhes. O sistema é simulado para algumas condições de operação e de falta e os resultados dessas simulações são comparados com dados do sistema real. Destacam-se no estudo, simulações considerando os motores de grande porte representados por um modelo estático, mais adequado para avaliação da partida do motor. Além disso, avalia-se também a adequação de um modelo dinâmico, mais adequado na situação em que o sistema fica sujeito a uma grande perturbação do tipo curto-circuito. O efeito pelicular também é considerado na modelagem do motor, tornando a representação dessa carga mais próxima da operação real. Mas, além do motor, todos os demais componentes elétricos do sistema são modelados de forma a se obter precisão necessária para a execução do estudo. As simulações são inicialmente realizadas a partir de aplicativo desenvolvido no software Scilab®. Adicionalmente, utiliza-se o Alternative Transient Program (ATP), com seus variados recursos, incluindo representação de modelos na MODELS e TACS. Os testes, considerando as condições reais de operação do sistema, evidenciam que os resultados das simulações são muito próximos àqueles obtidos em campo para o estudo de estabilidade transitória envolvendo grandes motores em sistemas elétricos industriais. The transient stability of any power system or industrial power system in large electromagnetic disturbances, has always been an object of study and fundamental in the development of a project and for the electrical system operation. In offshore industrial power systems of stationary production units (SPU) there are specific aspects that should also be evaluated. Currently, there are commercial softwares dedicated to electrical studies of these systems because the softwares used in traditional power system are limited to direct use in industrial systems of SPU type. This work presents a study for a SPU, in which aspects related to system stability under impacting conditions are evaluated, especially during direct online starting of large scale motor and short-circuits. The main system components, such as synchronous generators and induction motors are modeled in detail. The system is modeled for some operation and fail conditions, and the results of these simulations are compared with real system data. An important part in this study are the simulations considering the large scale motors represented by a static model, more adequate for evaluation of motor starting. Further, also the suitability of a dynamic model is evaluated, more adequate in the situation where the system is subject to a large disturbance like a short-circuit. The skin effect is also considered in the motor modeling, then its representation becomes nearer to the real operation load. Besides the motor, all others electric components of the system are modeled so that they have the required precision to the study. The simulations are initially made from an application developed in Scilabsoftware. In addition, it was used the Alternative Transient Program (ATP), with their varied resources, including representation models in MODELS and TACS. The tests considering the real operations conditions of the system shows that the results of the simulations are the nearest to the field results for transient stability study with large scale motors in industrial electrical power system.

Esta tese tem como objetivo o estudo e a construção de um protótipo de motor de indução trifásico de pequenas dimensões (28,6 mm de diâmetro externo e 15 mm de altura), com o rotor externo do tipo gaiola de esquilo sendo utilizado como motor-mancal. Esse estudo iniciou utilizando um motor Brushless convencional e que foi adaptado para funcionar como motor de indução com rotor externo. O motor de indução sem mancais utiliza a configuração de bobinado dividido para conseguir o posicionamento radial. Foram realizados estudos de simulações utilizando o Método dos Elementos Finitos – FEM mostrando efetivamente que é possível controlar a posição radial para manter o rotor girando. Foi construído e testado um primeiro protótipo com sucesso, para uma potência de 100 W mostrando um bom potencial para aplicações nesta faixa de potência e tamanho, como os aplicados em sistemas de coração artificial. O sistema de controle foi implementado utilizando o Processador Digital de Sinais – DSP TMS 320F28335. This thesis aims the study and construction of a prototype of a small three-phase induction motor (28.6 mm outside diameter and 15 mm height), with the external squirrel cage-type rotor being used as a Bearingless motor. This study started using a conventional Brushless motor and was adapted to function as an external rotor induction motor. The bearingless induction motor uses the split winding configuration to achieve radial positioning. Simulation studies were performed by using the Finite Element Method (FEM), effectively showing that it is possible to control the radial position to keep the rotor spinning. A first prototype was successfully built and tested for a power of 100 W showing good potential for applications in this power range and size, such as those applied in artificial heart systems. The control system was implemented using the Digital Signal Processor - DSP TMS 320F28335.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-05-27T13:42:37Z No. of bitstreams: 1 878403.pdf: 2500948 bytes, checksum: 22f4cf57d3e4f5dfa15a6537a4c83583 (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-27T13:42:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 878403.pdf: 2500948 bytes, checksum: 22f4cf57d3e4f5dfa15a6537a4c83583 (MD5) Previous issue date: 2017-03 Os motores de indução são os mais comuns utilizados na produção de movimento na indústria. Eles são amplamente utilizados por sua simplicidade, design robusto, baixo custo, baixa manutenção e conexão direta a uma fonte de alimentação de corrente alternada. Contudo, uma das falhas mais danosas que podem ocorrer no motor de indução é a ruptura da barra do rotor, pois rapidamente evolui para uma falha funcional com consequências catastróficas. Apesar do baixo custo de um motor de indução, as perdas de produção devido a uma falha funcional podem ser da ordem, ou superior, ao custo do próprio motor, portanto as vantagens de custo que podem ser obtidas com a detecção ainda incipiente do defeito justificam a pesquisa em técnicas de monitoramento que podem indicar a evolução das condições antes que a falha ocorra. Neste trabalho, é construído e demonstrado um sensor magnético, baseado em redes de Bragg, aplicadas a fibras ópticas (FBG) e compósito magnetostrictivo feito de partículas de Terfenol-D imerso em matriz de resina epóxi, que aplicado a um motor de indução é capaz de detectar barras quebradas do rotor em motores de indução de alta tensão, inclusive em atmosfera perigosa devido ao isolamento fornecido pelo sensor de fibra óptica. Até onde sabemos, este trabalho demonstra pela primeira vez um sensor magnético baseado em FBG aplicado em monitoração de um motor de indução para distinguir barras defeituosas, enquanto a técnica convencional de assinatura de corrente com baixos níveis de carga não conseguiu indicar a gravidade dos defeitos do motor. AC induction motors are the most common motors used in industrial motion. They are widely used in industrial applications for its simplicity, rugged design, low-cost, low maintenance and direct connection to an AC power source. However, one of the faults occurring in induction motor is the rotor bar breakage that may rapidly spread to a functional failure with catastrophic consequences. Despite the low cost of an induction motor, production losses due to a functional failure in the motor may be of the order, or greater than, the cost of the motor itself and therefore, the cost advantages that can be achieved with predictive maintenance justify research in monitoring techniques that can indicate the evolution of the conditions before a failure occurs. In this work, a magnetic sensor based on fiber Bragg grating (FBG) and magnetostrictive composite made of Terfenol-D particulates immersed in epoxy resin matrix applied to induction motor is shown to be capable of detecting rotor broken bars in high voltage induction motors, even when the motor is installed in a dangerous atmosphere, due to the insulation provided by the optical fiber sensor. To the best of our knowledge, this work demonstrates by the first time an FBG based magnetic sensor applied to monitor an induction motor with the capability to distinguish defective bars, whereas at the same time, conventional technique of current signature at low loading levels failed to indicate the motor severity.

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.

Submitted by Lucas Mangili Esteves null (lucas82031@aluno.feis.unesp.br) on 2017-02-09T18:36:57Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Lucas_final.pdf: 3159641 bytes, checksum: 2ee0f12201f163a9442f08759eb6e685 (MD5) Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-02-14T16:49:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 esteves_lm_me_ilha.pdf: 3159641 bytes, checksum: 2ee0f12201f163a9442f08759eb6e685 (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-14T16:49:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 esteves_lm_me_ilha.pdf: 3159641 bytes, checksum: 2ee0f12201f163a9442f08759eb6e685 (MD5) Previous issue date: 2017-01-12 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta uma análise do motor de indução trifásico (MIT), que é um dos motores mais utilizados em aplicações industriais, e de diferentes metodologias de controle de velocidade aplicadas para este tipo de motor. A princípio realizou-se um estudo do funcionamento do MIT sem nenhum tipo de controle, para somente depois analisar-se tanto técnicas clássicas e já bastante difundidas no controle deste tipo de máquina como também um tipo específico de controlador robusto, a fim de utilizá-lo para substituir os controladores clássicos na intenção de obter-se um desempenho superior. O controlador robusto escolhido foi do tipo com Estrutura Variável e Modos Deslizantes (CEV-MD). Este trabalho foca no estudo do Controle Vetorial Indireto com Orientação sobre o Fluxo do Rotor, sendo utilizados juntamente deste método um controlador clássico (do tipo PI, Proporcional Integral) e o controlador robusto projetado (do tipo CEV-MD), no intuito de realizar-se uma comparação entre o desempenho dos dois controladores mediante diferentes condições de operação, incluindo-se variação de parâmetros do motor e falhas de queda de tensão nos terminais da máquina. Todos os estudos e projetos resultaram em um conjunto de simulações no ambiente MATLAB/Simulink, a partir das quais constatou-se que o controlador robusto projetado apresentou um desempenho um pouco superior ao do PI, tanto no controle da velocidade quanto em relação a tolerar as falhas de queda de tensão. This paper presents a three phase induction motor analysis, one of the most used machines in industries applications, and also shows different speed control methods for this kind of machine. At first a study about the IM (induction motor) was made without any control technique, and then an analysis of the classic and well known methods is presented, as well as an analysis of a robust controller, in order to replace the classic controllers by this one and achieve better performance. The chosen robust controller was a Variable Structure Controller with Sliding Mode. This paper focus is the study of the Indirect Vector Control with Rotor Orientation, which was used along a classic controller (PI – Proportional Integral) and the above proposed robust controller, in order to make a balance between both considering several operational conditions, including parameters variation and a particular fault (voltage drops on the motor terminals). All the analysis culminated in a set of simulations on the MATLAB/Simulink ambient, from which it was observed that the proposed robust controller showed a better performance than the PI, both on the speed control and the voltage drops faults tolerance.

In the presented work, a sensorless method based on the injection of a high-frequency voltage signal was investigated. A 1:5cv motor was used as a testbed, driven by a commercial inverter according to the Field-Oriented Control method. Experimental observations indicated that a modification on the spatial direction of the injection signal is advantageous when compared with the original proposed method. The differences between the strategies were modelled, as was the high-frequency impedance modulation mechanism of the machine’s magnetic circuit. An identification algorithm was used to determine the dynamical characteristics of the extraction and processing of the injected signal. It was observed that the identified transfer function presents a variable gain, which is sensible to the value of the stator quadrature current. A torque control loop was obtained successfully. The poposed technique was applied to a sensorless torque control scheme, allowing the motor to follow step and torque references while the motor flux angle was calculated by the estimation method. The machine successfuly produced an output torque between 1;0N:m and 2;5N:m with an angular estimation error of about 50o (electrical). Neste trabalho, foi investigado um método de controle sensorless baseado na injeção de um sinal de tensão de alta frequência para o controle de um motor de indução. Um motor de 1,5cv foi utilizado nos testes, acionado por um inversor comercial de acordo com o método de Controle por Campo Orientado. Observações experimentais indicaram que uma modificação na direção espacial da injeção de sinal é vantajosa em relação à proposta original. As diferenças entre as estratégias foram modeladas matematicamente, assim como o mecanismo de modulação da impedância de alta frequência do circuito magnético da máquina. Um algoritmo de identificação foi utilizado para determinar as características dinâmicas da extração e processamento do sinal injetado. Observou-se que a função de transferência encontrada possui um ganho estático sensível ao valor da corrente de quadratura do estator. A técnica proposta foi aplicada em uma malha de controle de torque sensorless, permitindo que a máquina seguisse referências de degrau e rampa de torque enquanto o ângulo do fluxo do motor era determinado pelo método de estimação. O motor produziu um toque entre 1,0 N.m e 2,5N.m com um erro angular de estimação próximo de 50 graus elétricos.

Neste trabalho são propostos métodos para a estimação de parâmetros de motores de indução através do método dos Mínimos Quadrados com medição apenas de tensões, correntes e resistência do estator em um ensaio de partida em vazio. São detalhados os procedimentos para o tratamento dos sinais medidos, além das estimações do fluxo magnético e da velocidade mecânica do motor. Para a estimação dos parâmetros elétricos, são propostos métodos que diferem nos requisitos e no tratamento dos parâmetros como invariantes ou variantes no tempo. Em relação a esse último caso, é empregado um método de estimação de parâmetros por janelas de dados, aplicando um modelo com parâmetros invariantes no tempo localmente em diversas partes do ensaio. São feitas simulações para validar os métodos propostos, e dados de ensaio de três motores de diferentes potências são utilizados para analisar a escala de variação paramétrica durante a partida. É feita uma comparação entre os resultados obtidos com e sem consideração de variação nos parâmetros. In this work, methods are proposed to estimate the parameters of induction motors through the Least Squares method with the measurement of only voltages, currents and resistance of the stator in a no-load startup test. Procedures are detailed to process the measured signals, as well as to estimate magnetic flux and rotor mechanical speed. In order to estimate the electrical parameters, methods are proposed which differ in their requisites and in the treatment of parameters as time invariant or time-varying. For the latter, a methodology for parameter estimation through data windows is used, applying a model with time invariant parameters locally to different parts of the test. Simulations are made to validate the proposed methodology, and data from tests of three motors with different powers are used to analyze the scale of parameter variation during startup. A comparison is made between the results obtained with and without the consideration of variation in the parameters.

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Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os objetivos principais desta dissertação são, de uma forma geral, comparar as alterações dos parâmetros do circuito equivalente por fase de quatro motores de indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo de classes de rendimento IE1, IE2, IE4 de um único fabricante, correlacionando-os com as perdas que os mesmos produzem e com aspetos construtivos dos motores em termos dimensionais e de quantidade e qualidade dos materiais ativos utilizados. Serão desenvolvidos modelos de simulação para os diferentes motores analisados, com bases em ensaios experimentais.Este documento está estruturado da seguinte forma:O capítulo 1 exibe o enquadramento do tema sobre o qual se desenvolveu esta dissertação.No capítulo 2 são apresentados os conceitos gerais relacionados com o motor de indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo. Inicialmente é abordado o princípio de funcionamento do motor e são relatados os principais aspetos construtivos do mesmo. De seguida é fundamentado a obtenção do circuito equivalente por fase do motor com representação dos parâmetros do mesmo. São também definidas as perdas elétricas e mecânicas que ocorrem no motor de indução e por último, é feita uma comparação das duas principais normas usadas para o cálculo do rendimento dos motores.No capítulo 3 é feita uma descrição das montagens experimentais, equipamentos e procedimentos utilizados na realização das medições. De seguida são abordados dois métodos de cálculo dos parâmetros do esquema equivalente, sendo um pela análise do circuito e outro seguindo o procedimento aconselhado pela norma IEEE 112, com respetiva análise de resultados. Posteriormente é fundamentado o cálculo dos valores de rendimento obtidos, comparando as normas IEEE 112 e IEC 60034-2-1, com respetiva análise. Para finalizar serão mostrados os resultados obtidos das simulações realizadas.Finalmente, o capítulo 4 expõe as principais conclusões retiradas do trabalho desenvolvido e propõe algumas sugestões para trabalho futuro. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ In this dissertation, the main parameter changes of IE1, IE2, IE3 and IE4 class induction motors, from one single supplier, are to be compared and correlated with the power losses produced and respective constructive differences in terms of dimension and active materials quantity and quality. On the basis of the experimental tests, simulation models for the different analyzed motors will be developed.This document has the following structure:Chapter 1 explains the framing of the theme of this thesis.In chapter 2, general concepts related with squirrel cage induction motors are presented.Initialy, is explained the working principle of the induction motor and the constructional features of this kind of motor are shown. Next, the equivalent circuit of induction motor is substantiated, with electric parameters represented. The electrical and mechanical losses are described and explained, and finally a comparison between the two main standards for electric machinery efficiency determination are made.In chapter 3, are described the experimental setups, equipment and procedures usedwhen carrying out the measurements. Then, two calculation methods of equivalent circuit parameters are explained and compared with appropriate analysis of the results. Posteriorly, the efficiency calculation values are shown with a comparison between standars IEEE 112 and IEC 60034-2-1, and finally, a critical analisys based on computation simulation results are made,Chapter 5 presents the main conclusions from the work developed and some suggestionsfor future work._______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

This paper proposes a design and tuning method for a complex gain controller, based on the three-phase induction motor mathematical model complex transfer function to be used in the direct torque control at low speed which is a problem so far. The design and tuning of the complex gain is done by using the closed loop system frequency-response function. Experimental results are presented to validate the controller and operation at low speed is also explored. Este trabalho propõe um método de projeto para um controlador de ganho complexo baseado na função de transferência complexa do motor de indução trifásico para uso no controle direto de torque em que a operação do motor em baixas velocidades é um problema. O projeto e a sintonia do ganho complexo é realizado com o emprego da resposta em frequência do sistema em malha fechada. Resultados experimentais são apresentados para a validação da proposta do controlador.

Neste trabalho é desenvolvida uma metodologia de otimização multiobjetivo baseada no NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm), a qual visa a otimização do projeto de máquinas de indução pentafásicas. A escolha deste tipo de máquina se justifica pelo fato de que elas apresentam vantagens importantes quando comparadas com as trifásicas convencionais, tais como maior potência e maior torque para um mesmo volume de material ativo, além da possibilidade de operar na ocorrência de falhas (perda de uma ou duas fases). Na otimização de máquinas de indução vários objetivos podem ser definidos, sendo estes muitas vezes conflitantes. Neste contexto, este trabalho visa obter soluções que representam um compromisso entre dois objetivos: rendimento e custo do material ativo (ferro e material condutor). O algoritmo de otimização desenvolvido e implementado utiliza dois controles de diversidade da população, um baseado no fenótipo dos indivíduos, que é característico do NSGA-II, e outro adicional que é baseado no genótipo. A geometria do estator e do rotor da máquina e o seu modo de acionamento são parametrizados por 14 variáveis inteiras. O método desenvolvido foi implementado no Matlab R e aplicado a um caso prático de otimização de uma máquina de indução pentafásica considerando os dois objetivos citados. Os resultados práticos mostram que o método é capaz de obter projetos otimizados com maior rendimento e menor custo aproveitando as características particulares deste tipo de máquina. In this work, it is developed a method of multiobjective optimization based on NSGAII (Nondominated Sorting Genetic Algorithm), which aims at optimizing the design of five-phase induction machines. The choice of this particular type of machine is justified by the fact that they have important advantages over conventional three-phase machines, such as higher power and higher torque for the same volume of material; in addition, they can operate under fault (loss of one or even two phases). When optimizing induction machines, several objectives can be defined, which are often conflicting. In this context, this work aims to obtain solutions that represent a trade-off between two objectives: efficiency and cost of active material (iron and conductor materials). The optimization algorithm that was developed and implemented uses two types of control for the diversity of the population, one based on the phenotype of the individuals, characteristic of the NSGA-II, and another one based on the genotype. The geometrical dimensions of the stator and rotor, together with the driving strategy, are parameterized by 14 integer variables. The developed method was implemented using Matlab R and applied to a practical case of a five-phase induction machine considering the aforementioned objectives. The practical results show that the method can lead to an optimized design with higher efficiency and at a lower cost, accounting for the special characteristics of this type of machine.