Ensino de deteção de avarias em motores de indução

O avanço tecnológico promoveu uma crescente fiabilidade no que respeita a motores elétricos (principalmene nos Motor de Indução (MI)). Estes representam mais de 80% do total de motores elétricos utilizados em todo o mundo. A sua avaria inesperada num ambiente industrial pode significar pesados prejuízos e transtornos, fazendo com que métodos de deteção de avarias modernos sejam cada vez mais atrativos para estes ambientes. Apesar da grande necessidade industrial de profissionais capazes de lidar com estas temáticas, existe uma grande escassez de materiais de ensino que permitam o conhecimento adequado dos métodos de deteção. Esta dissertação apresenta um sistema capaz de lidar com as necessidades educacionais encontradas hoje em dia, no que respeita ao ensino de deteção de avarias em MIs. O sistema apresentado permite a realização de ensaios em ambiente laboratorial, permitindo aos alunos visualizarem o funcionamento de um único motor em vários estados de avarias pré-programadas. Em cada uma das avarias possíveis de emular, o aluno pode tomar várias opções de simulação, alterando parâmetros específicos da avaria. Para além de permitir a realização de diferentes ensaios, este sistema constitui ainda uma interessante ferramenta de ensino no que respeita à deteção de avarias em MIs, contendo ferramentas que visam apoiar a educação nesta temática. Essas ferramentas incluem documentos (ou um portal) desenvolvidos especificamente para este tema e exercícios didáticos que podem ser realizados diretamente no sistema. Dada á sua versatilidade, este sistema poderá vir a constituir uma ferramenta de extrema importância didática no ensino de deteção e diagnóstico de avarias no MI.

Sistema para detecção e diagnóstico de falhas em motores elétricos de indução utilizando lógica fuzzy

Induction motors are one of the most important equipment of modern industry. However, in many situations, are subject to inadequate conditions as high temperatures and pressures, load variations and constant vibrations, for example. Such conditions, leaving them more susceptible to failures, either external or internal in nature, unwanted in the industrial process. In this context, predictive maintenance plays an important role, where the detection and diagnosis of faults in a timely manner enables the increase of time of the engine and the possibiity of reducing costs, caused mainly by stopping the production and corrective maintenance the motor itself. In this juncture, this work proposes the design of a system that is able to detect and diagnose faults in induction motors, from the collection of electrical line voltage and current, and also the measurement of engine speed. This information will use as input to a fuzzy inference system based on rules that find and classify a failure from the variation of thess quantities

Uma abordagem neural para estimação de conjugado em motores de indução

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Um novo sistema de refrigeração com controle de temperatura, compressor aberto, máquina de indução trifásica com velocidade variável e correção ativa do fator de potência do estágio de entrada

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise dos ciclos operacionais para especificação de motores de indução trifásicos

This paper addresses the three-phase induction motor by a thermal analysis of its operation, under the gaze of the standards of the Brazilian Association of Technical Standards that deal with working arrangements (operating cycles) defined by appropriate tests and for each use of the motor basis of this study, emphasizing especially the fact of the first three cycles are the cycles with greater possibilities of use for scaling a three-phase induction motor for the main industrial processes, will also be made an analysis of the reasons why the three-phase induction motors have a loss of power at altitudes above 1000 m above sea level and some methods of how to define how a three phase induction motor can be used in one of the first three working arrangements

Análise dos ciclos operacionais para especificação de motores de indução trifásicos

This paper addresses the three-phase induction motor by a thermal analysis of its operation, under the gaze of the standards of the Brazilian Association of Technical Standards that deal with working arrangements (operating cycles) defined by appropriate tests and for each use of the motor basis of this study, emphasizing especially the fact of the first three cycles are the cycles with greater possibilities of use for scaling a three-phase induction motor for the main industrial processes, will also be made an analysis of the reasons why the three-phase induction motors have a loss of power at altitudes above 1000 m above sea level and some methods of how to define how a three phase induction motor can be used in one of the first three working arrangements

Multiclassificador inteligente de falhas no domínio do tempo em motores de indução trifásicos alimentados por inversores de frequência

Os motores de indução desempenham um importante papel na indústria, fato este que destaca a importância do correto diagnóstico e classificação de falhas ainda em fase inicial de sua evolução, possibilitando aumento na produtividade e, principalmente, eliminando graves danos aos processos e às máquinas. Assim, a proposta desta tese consiste em apresentar um multiclassificador inteligente para o diagnóstico de motor sem defeitos, falhas de curto-circuito nos enrolamentos do estator, falhas de rotor e falhas de rolamentos em motores de indução trifásicos acionados por diferentes modelos de inversores de frequência por meio da análise das amplitudes dos sinais de corrente de estator no domínio do tempo. Para avaliar a precisão de classificação frente aos diversos níveis de severidade das falhas, foram comparados os desempenhos de quatro técnicas distintas de aprendizado de máquina; a saber: (i) Rede Fuzzy Artmap, (ii) Rede Perceptron Multicamadas, (iii) Máquina de Vetores de Suporte e (iv) k-Vizinhos-Próximos. Resultados experimentais obtidos a partir de 13.574 ensaios experimentais são apresentados para validar o estudo considerando uma ampla faixa de frequências de operação, bem como regimes de conjugado de carga em 5 motores diferentes.

Aplicação de técnicas inteligentes com análise no domínio do tempo para reconhecimento de defeitos em motores de indução trifásicos

Os motores de indução trifásicos são os principais elementos de conversão de energia elétrica em mecânica motriz aplicados em vários setores produtivos. Identificar um defeito no motor em operação pode fornecer, antes que ele falhe, maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção da máquina, redução de custos e aumento de disponibilidade. Nesta tese são apresentas inicialmente uma revisão bibliográfica e a metodologia geral para a reprodução dos defeitos nos motores e a aplicação da técnica de discretização dos sinais de correntes e tensões no domínio do tempo. É também desenvolvido um estudo comparativo entre métodos de classificação de padrões para a identificação de defeitos nestas máquinas, tais como: Naive Bayes, k-Nearest Neighbor, Support Vector Machine (Sequential Minimal Optimization), Rede Neural Artificial (Perceptron Multicamadas), Repeated Incremental Pruning to Produce Error Reduction e C4.5 Decision Tree. Também aplicou-se o conceito de Sistemas Multiagentes (SMA) para suportar a utilização de múltiplos métodos concorrentes de forma distribuída para reconhecimento de padrões de defeitos em rolamentos defeituosos, quebras nas barras da gaiola de esquilo do rotor e curto-circuito entre as bobinas do enrolamento do estator de motores de indução trifásicos. Complementarmente, algumas estratégias para a definição da severidade dos defeitos supracitados em motores foram exploradas, fazendo inclusive uma averiguação da influência do desequilíbrio de tensão na alimentação da máquina para a determinação destas anomalias. Os dados experimentais foram adquiridos por meio de uma bancada experimental em laboratório com motores de potência de 1 e 2 cv acionados diretamente na rede elétrica, operando em várias condições de desequilíbrio das tensões e variações da carga mecânica aplicada ao eixo do motor.

Análise e proposição de estratégias de estimação e controle de velocidade para motores de indução trifásicos

This study presents a proposal of speed servomechanisms without the use of mechanical sensors (sensorless) using induction motors. A comparison is performed and propose techniques for pet rotor speed, analyzing performance in different conditions of speed and load. For the determination of control technique, initially, is performed an analysis of the technical literature of the main control and speed estimation used, with their characteristics and limitations. The proposed technique for servo sensorless speed induction motor uses indirect field-oriented control (IFOC), composed of four controllers of the proportional-integral type (PI): rotor flux controller, speed controller and current controllers in the direct and quadrature shaft. As the main focus of the work is in the speed control loop was implemented in Matlab the recursive least squares algorithm (RLS) for identification of mechanical parameters, such as moment of inertia and friction coefficient. Thus, the speed of outer loop controller gains can be self adjusted to compensate for any changes in the mechanical parameters. For speed estimation techniques are analyzed: MRAS by rotóricos fluxes MRAS by counter EMF, MRAS by instantaneous reactive power, slip, locked loop phase (PLL) and sliding mode. A proposition of estimation in sliding mode based on speed, which is performed a change in rotor flux observer structure is displayed. To evaluate the techniques are performed theoretical analyzes in Matlab simulation environment and experimental platform in electrical machinery drives. The DSP TMS320F28069 was used for experimental implementation of speed estimation techniques and check the performance of the same in a wide speed range, including load insertion. From this analysis is carried out to implement closed-loop control of sensorless speed IFOC structure. The results demonstrated the real possibility of replacing mechanical sensors for estimation techniques proposed and analyzed. Among these, the estimator based on PLL demonstrated the best performance in various conditions, while the technique based on sliding mode has good capacity estimation in steady state and robustness to parametric variations.

Desenvolvimento do sistema de tracção de um veículo eléctrico ecológico com travagem regenerativa

Nesta dissertação descreve-se uma metodologia de dimensionamento do sistema de tracção para equipar um veículo eléctrico ecológico (VEECO) com inclusão de um sistema de travagem regenerativa. Apresenta-se uma perspectiva geral de diversas topologias de sistemas de tracção utilizadas nos veículos eléctricos e realiza-se a sua comparação através do estudo e análise dos acionamentos electromecânicos que podem ser utilizados nesses sistemas de tracção eléctrica. Utilizando ferramentas de simulação numérica, estuda-se o modelo matemático de um veículo eléctrico com travagem regenerativa. A partir deste modelo matemático é adoptado uma possível configuração para o seu sistema de tracção eléctrica e são obtidas características teóricas de desempenho do veículo eléctrico, através da análise de testes padrão ao veículo. Em banco de ensaios, constrói-se um sistema de tracção eléctrica que permite a validação experimental do modelo matemático do veículo eléctrico. Para a construção deste banco de ensaios foram concebidos os sistemas de tracção eléctrica, de carga mecânica e de controlo e monitorização do banco de ensaios. A validação experimental realiza-se através dos mesmos testes padrão ao veículo eléctrico, como o teste NEDC (New European Driving Cycle), o teste de aceleração entre 0 e 100km/h e o teste de gradeabilidade. Desenvolve-se o dimensionamento do sistema de tracção eléctrica a equipar o VEECO, através da componente de modelação paramétrica do modelo matemático do veículo eléctrico. Com esta metodologia é adoptado um conjunto de variáveis paramétricas relacionadas com os elementos que constituem o sistema de tracção eléctrica do VEECO. Estuda-se a influência destas variáveis paramétricas nas características de desempenho pretendidas para o VEECO. Como resultado da análise de modelação paramétrica é apresentada uma solução para o sistema de tracção eléctrica do VEECO que cumpre a execução do NEDC, apresenta um tempo de aceleração entre 0 e 100km/h inferior a 10 segundos, supera uma gradeabilidade de 10% e uma autonomia de 200 km. O sistema de tracção do VEECO também permite realizar a travagem regenerativa com rendimento até 33%. Possui controlo de tracção e anti bloqueio da roda motora, através de uma unidade de controlo que permite reduzir a potência transmitida ao veio, quando a velocidade da roda de tracção difere do valor de referência da velocidade do veículo. Os conhecimentos adquiridos através do processo de investigação e desenvolvimento, para a realização da presente dissertação permitem apresentar perspectivas de desenvolvimento futuro com aplicação nos sistemas de tracção de veículos eléctricos rodoviários.

Diagnóstico de avarias em motores elétricos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Avaliação do aumento da eficiência energética de uma central de frio

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Projecto de uma caixa de velocidades eléctrica por meio da variação do número de pólos para motores em disco de rotor em alumínio e em materiais supercondutores de alta temperatura (SAT)

Nesta dissertação apresenta-se um motor em disco polifásico inovador bem como uma estratégia de controlo com base no método de variação de velocidade por comutação do número de pares de pólos. A configuração das bobinas aliada à escolha das correntes e tensões que se injectam nas bobinas dos estatores, permite comutar electronicamente o número de pólos do motor entre 2, 4 6 e 8 pólos, conseguindo-se controlar a característica binário/velocidade do motor. O motor em disco possui a bobinagem feita em cobre com dois semi-estatores, em que quando utiliza o rotor em alumínio (com condutividade diferente de zero) comporta-se como um motor de indução convencional. Quando se substitui o rotor em alumínio por um constituído por um supercondutor de alta temperatura (SAT), o dispositivo comporta-se como um motor de histerese. O princípio de funcionamento do motor em disco convencional é baseado na indução de força electromotrizes no rotor e, consequentemente, uma vez que o alumínio é bom condutor eléctrico, correntes eléctricas induzidas, originadas por haver um campo magnético variável que é criado pelos semi-estatores. O comportamento deste tipo de motores, no que diz respeito a principais características (como o binário/velocidade para os diferentes números de pares de pólos), circuito equivalente de Steinmetz, entre outras teorias associadas é já conhecido há bastante tempo. O princípio de funcionamento do motor SAT é diferente do apresentado anteriormente, funciona com base na dinâmica de vórtices e devido ao facto de aparecer o fenómeno de ancoragem de fluxo (flux pinning) nos supercondutores de alta temperatura. Como o campo magnético varia, então o disco roda. Este motor tem um princípio de funcionamento muito mais complexo que o motor de indução sendo a obtenção do modelo do motor SAT complicada. A obtenção do modelo do motor SAT não é abordado nesta dissertação. Os comportamentos e modos de operação do motor com disco de alumínio e em materiais SAT são simulados através de um programa comercial de elementos finitos, nesta dissertação, sendo a supercondutividade simulada com base na relação entre o campo eléctrico e a densidade de corrente pela lei da potenciação (E-J power law). Com as simulações pretende-se comparar o rendimento electromecânico de ambos os motores.

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.

Modelagem e simulação de um sistema de bombeio mecânico em poços direcionais utilizando parâmetros concentrados

This work aims presenting the development of a model and computer simulation of a sucker rod pumping system. This system take into account the well geometry, the flow through the tubing, the dynamic behavior of the rod string and the use of a induction motor model. The rod string were modeled using concentrated parameters, allowing the use of ordinary differential equations systems to simulate it s behavior