Otimização de um sistema online de deteção de falhas em motores de indução

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

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.

Aplicação de sistemas multi-classificadores no diagnóstico de falhas em motores de indução trifásicos

Equipment maintenance is the major cost factor in industrial plants, it is very important the development of fault predict techniques. Three-phase induction motors are key electrical equipments used in industrial applications mainly because presents low cost and large robustness, however, it isn t protected from other fault types such as shorted winding and broken bars. Several acquisition ways, processing and signal analysis are applied to improve its diagnosis. More efficient techniques use current sensors and its signature analysis. In this dissertation, starting of these sensors, it is to make signal analysis through Park s vector that provides a good visualization capability. Faults data acquisition is an arduous task; in this way, it is developed a methodology for data base construction. Park s transformer is applied into stationary reference for machine modeling of the machine s differential equations solution. Faults detection needs a detailed analysis of variables and its influences that becomes the diagnosis more complex. The tasks of pattern recognition allow that systems are automatically generated, based in patterns and data concepts, in the majority cases undetectable for specialists, helping decision tasks. Classifiers algorithms with diverse learning paradigms: k-Neighborhood, Neural Networks, Decision Trees and Naïves Bayes are used to patterns recognition of machines faults. Multi-classifier systems are used to improve classification errors. It inspected the algorithms homogeneous: Bagging and Boosting and heterogeneous: Vote, Stacking and Stacking C. Results present the effectiveness of constructed model to faults modeling, such as the possibility of using multi-classifiers algorithm on faults classification

Uma abordagem neural para estimação de conjugado em motores de indução

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

Metodologia baseada em sistema fuzzy intervalar do tipo-2 para detecção e identificação de faltas de incipientes em motores de indução

Desde a incorporação da automação no processo produtivo, a busca por sistemas mais eficientes, objetivando o aumento da produtividade e da qualidade dos produtos e serviços, direcionou os estudos para o planejamento de estratégias que permitissem o monitoramento de sistemas com o intuito principal de torna-los mais autônomos e robustos. Por esse motivo, as pesquisas envolvendo o diagnóstico de faltas em sistemas industriais tornaram-se mais intensivas, visto a necessidade da incorporação de técnicas para monitoramente detalhado de sistemas. Tais técnicas permitem a verificação de perturbações, falta ou mesmo falhas. Em vista disso, essa trabalho investiga técnicas de detecção e diagnostico de faltas e sua aplicação em motores de indução trifásicos, delimitando o seu estudo em duas situações: sistemas livre de faltas, e sobre atuação da falta incipiente do tipo curto-circuitoparcial nas espiras do enrolamento do estator. Para a detecção de faltas, utilizou-se analise paramétrica dos parâmetros de um modelo de tempo discreto, de primeira ordem, na estrutura autoregressivo com entradas exógenas (ARX). Os parâmetros do modelo ARX, que trazem informação sobre a dinâmica dominante do sistema, são obtidos recursivamente pela técnica dos mínimos quadrados recursivos (MQR). Para avaliação da falta, foi desenvolvido um sistema de inferência fuzzy (SIF) intervala do tipo-2, cuja mancha de incerteza ou footprint of uncertainty (FOU), características de sistema fuzzy tipo-2, é ideal como forma de representar ruídos inerentes a sistemas reais e erros numéricos provenientes do processo de estimação paramétrica. Os parâmetros do modelo ARX são entradas para o SIF. Algoritmos genéricos (AG’s) foram utilizados para otimização dos SIF intervalares tipo-2, objetivando reduzir o erro de diagnóstico da falta identificada na saída desses sistemas. Os resultados obtidos em teste de simulação computacional demonstram a efetividade da metodologia proposta.

Desenvolvimento de experiências de acionamento e controle do movimento angular de motores de indução trifásico

This paper aims to show practical and effectiveexperiencesfor lessons Industrial Automation Laboratory taught inundergraduate degreein ElectricalEngineering from the University Júlio MesquitaFilho - UNESP, Guaratinguetá. Experiments carriedsimulatecontrol and drive systems of electric three phase induction motors (MIT)widely usedinindustries. The experiments simulate a manufacturing environment where there isa need to control the activation and continuous operation ofelectricmotors. Seven experimentsthat simulatethe firing of electrical motors through a controlsystem, a driver along with asimulator loads coupled to the electric motor was developed. Experiments usinga Programmable Logic Controller (PLC) as acontroller,an inverter frequencyasdriver, and MagneticBrake, as simulatorengine loads . The experiments were divided accordingto the speed reference signal used fordrivingand operating the electric motor: digital and analog. The first five experiments performing the drive control and operation of the electric motor via digital signals. The sixth and seventh experiments using an analog signal as a reference speed for the electric motor

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.

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

Viabilidade da Utilização de Máquinas de Indução Convencionais como Motores sem Mancais Mecânicos

Electrical Motors transform electrical energy into mechanic energy in a relatively easy way. In some specific applications, there is a need for electrical motors to function with noncontaminated fluids, in high speed systems, under inhospitable conditions, or yet, in local of difficult access and considerable depth. In these cases, the motors with mechanical bearings are not adequate as their wear give rise to maintenance. A possible solution for these problems stems from two different alternatives: motors with magnetic bearings, that increase the length of the machine (not convenient), and the bearingless motors that aggregate compactness. Induction motors have been used more and more in research, as they confer more robustness to bearingless motors compared to other types of machines building with others motors. The research that has already been carried out with bearingless induction motors utilized prototypes that had their structures of stator/rotor modified, that differ most of the times from the conventional induction motors. The goal of this work is to study the viability of the use of conventional induction Motors for the beringless motors applications, pointing out the types of Motors of this category that can be more useful. The study uses the Finite Elements Method (FEM). As a means of validation, a conventional induction motor with squirrel-cage rotor was successfully used for the beringless motor application of the divided winding type, confirming the proposed thesis. The controlling system was implemented in a Digital Signal Processor (DSP)

Modelagem de um motor de indução trifásico operando com tensões desequilibradas por meio de redes neurais artificiais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Sobre a aplicação de sistemas inteligentes para diagnóstico de falhas em máquinas de indução - uma visão geral

Muitas pesquisas estão sendo desenvolvidas buscando nos sistemas inteligentes soluções para diagnosticar falhas em máquinas elétricas. Estas falhas envolvem desde problemas elétricos, como curto-circuito numa das fases do estator, ate problemas mecânicos, como danos nos rolamentos. Dentre os sistemas inteligentes aplicados nesta área, destacam-se as redes neurais artificiais, os sistemas fuzzy, os algoritmos genéticos e os sistemas híbridos, como o neuro-fuzzy. Assim, o objetivo deste artigo é traçar um panorama geral sobre os trabalhos mais relevantes que se beneficiaram dos sistemas inteligentes nas diferentes etapas de análise e diagnóstico de falhas em motores elétricos, cuja principal contribuição está em disponibilizar diversos aspectos técnicos a fim de direcionar futuros trabalhos nesta área de aplicação.