Diagnóstico e análise de avarias nos enrolamentos estatóricos de motores de indução trifásicos através da aplicação do método dos referenciais múltiplos

Abstract

O objectivo primordial deste trabalho é o de propor um novo método de diagnóstico de avarias nos enrolamentos estatóricos de motores de indução trifásicos, quando estes são alimentados quer por fontes de tensão sinusoidal quer por conversores de frequência com controlo directo de binário (DTC). No primeiro capítulo da dissertação, de natureza introdutória, são sintetizadas as principais causas, consequências e métodos de diagnóstico de avarias nos enrolamentos estatóricos dos motores de indução trifásicos. Aqui são enfatizadas as limitações encontradas no diagnóstico deste tipo de avaria recorrendo aos métodos tradicionais, bem como a necessidade de estudar o funcionamento de accionamentos eléctricos com DTC, hoje em dia bastante vulgarizados na indústria mas praticamente ignorados no domínio do diagnóstico de avarias. De seguida é desenvolvido um modelo matemático capaz de simular o comportamento de um motor de indução trifásico quando na presença de curtos-circuitos entre espiras nos enrolamentos estatóricos. Com base neste modelo matemático e em diversos ensaios experimentais, é estudada de forma aprofundada a ocorrência de curtos-circuitos entre espiras e as consequências introduzidas por esta avaria em diversas grandezas eléctricas que caracterizam o funcionamento do motor, com destaque para aquelas que podem ser calculadas com base nos sinais das correntes e tensões de alimentação. Face às limitações das técnicas de diagnóstico tradicionais, é desenvolvido e proposto um novo método de diagnóstico, designado por método dos referenciais múltiplos, capaz de ultrapassar tais limitações e diagnosticar eficazmente a avaria, de forma independente das condições de funcionamento do motor e do seu tipo de alimentação. Por último é demonstrado que o método dos referenciais múltiplos é facilmente integrável no sistema de controlo de um accionamento com DTC, abrindo a porta à concepção de sistemas de controlo/diagnóstico totalmente integrados e a um custo adicional praticamente nulo.

The main goal of this work is to propose a new diagnostic technique for the diagnosis of faults in the stator windings of three-phase induction motors when they are directly connected to the grid as well as in Direct Torque Controlled (DTC) induction motor drives. Chapter 1, of introductory nature, summarizes the main causes, consequences and diagnostic techniques of faults that can occur in the stator windings of three-phase induction motors. The major drawbacks of the traditional diagnostic techniques usually used to diagnose this type of fault are emphasized. Additionally, it is recognized the need to fill a gap in the literature by addressing the diagnosis of faults in direct torque controlled induction motors, very common in industry nowadays but almost ignored in the field of fault diagnosis. Chapter 2 deals with the development of a mathematical model able to simulate the behaviour of a three-phase induction motor in the presence of stator inter-turn short-circuits. Moreover, it is developed a model of a direct torque controlled induction motor drive. The validity of these models is accomplished by a comparison between experimental and simulation results. In Chapter 3 the consequences of stator faults are thoroughly studied, with special emphasis on the effects introduced by the fault in the quantities which can be calculated through the manipulation of the motor supply currents and voltages. By recognizing the limitations of the traditional techniques in the diagnosis of stator faults, it is proposed and developed a new method, the so called multiple reference frames technique, which is able to overcome those limitations and effectively diagnose this type of fault. Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed technique in the diagnosis of this type of fault both in line-connected and in direct torque controlled induction motors. Chapter 4 deals with the integration of the diagnostic and control systems of a DTC induction motor drive, with special emphasis on the aspects related to the implementation of the multiple reference frames techniques in the DSP board of the control system. Several experimental results are presented, demonstrating the easiness of integration of the developed diagnostic technique in a DTC induction motor drive. Chapter 5 contains the main conclusions of this work and points towards some subjects which can be addressed in future work.