An Assessment on the Non-Invasive Methods for Condition Monitoring of Induction Motors

The ability to forecast motor mechanical faults at incipient stages is vital to reducing maintenance costs, operation downtime and safety hazards. This paper synthesized the progress in the research and development in condition monitoring and fault diagnosis of induction motors. The motor condition monitoring techniques are mainly classified into two categories that are invasive and non-invasive techniques. The invasive techniques are very basic, but they have some implementation difficulties and high cost. The non-invasive methods, namely MCSA, PVA and IPA, overcome the disadvantages associated to invasive methods. This book chapter reviews the various non-invasive condition monitoring methods for diagnosis of mechanical faults in induction motor and concludes that the instantaneous power analysis (IPA) and Park vector analysis (PVA) methods are best suitable for the diagnosis of small fault signatures associated to mechanical faults. Recommendations for the future research in these areas are also presented

Diagnosis of low-speed bearings via vibration-based entropy indicators and acoustic emissions

Tesi del Pla de doctorat industrial de la Generalitat de Catalunya. Tesi en modalitat compendi de publicacions, amb diferents seccions retallades per drets dels editorsWind energy is one ofthe main renewable energies to replace fossil fuels in the generation of electricityworldwide. To enhance and accelerate its implementation at a large scale, it is vital to reduce the costs associated with maintenance. As com ponent breakages force the turbine to stop for long repair times, the wind industry m ust switch from the old-fashioned preventive or corrective maintenance to condition-based maintenance (also called predictive maintenance). The condition­based maintenance of pitch bearings is especiallychallenging, as the operating conditions include high mechanical stress and low rotational speed. Since these operating conditions im pact negatively on the results of the standard methods and techniques applied in current condition-based monitoring systems, the condition-based maintenance of pitch bearings is still a challenge. Therefore, this thes is is focused on the research of novel methods and techniques that obtain reliable information on the state of pitch bearings for condition-based maintenance. lnitially, the acknowledgment ofthe state ofthe art is performed to recognize the methods and signals. This step endorses the decision to analyze the vibration signals and acoustic emissions throughout this thesis. Due to the particular operating conditions of pitch bearings, this research states the need to create data sets to replicate the particular operating conditions in a controlled laboratory experiment. As a res ult, a datas et based on vibrations, and a second datas et based on acoustic emissions are generated. The vibration datas et allows the validation of a novel algorithm for the low-speed bearing diagnosis, which is based on the concept of entropy by the definition of Shannon and Rényi. In com parison to the classical methods found in the literature, the diagnosis of low-speed bearings based on entropy-based indicators can extract more reliable information. Moreover, the research of the com bination of several indicators to improve the diagnosis revea Is that the entropy-based indicators can extract more information than regular indicators used in academia. The datas et of acoustic emissions from low-speed bearings helps to contribute to the development of methods for diagnosis. In this research, the analysis of the energyfrom the signals reveals a dependencyon the intensityand the presence of damage. In addition, a relation between the waveform ofthe analyzed energy and the existence of damage is em phas ized.La energía eólica es una de las principales energías renovables consideradas para reemplazar los combustibles fósiles en la generación de electricidad a nivel mundial. Para mejorar y acelerar su implementación a gran escala, es vital reducir los costes asociados con el mantenimiento. Como las roturas de los componentes obligan a la turbina a detenerse durante largos períodos de reparación, la industria eólica necesita cambiar del anticuado mantenimiento preventiv o correctivo al mantenimiento basado en la condición (también llamado mantenimiento predictivo). El mantenimiento basado en la condición de los rodamientos pitch es especialmente desafiante, porque las condiciones de operación incluyen un alto estrés mecánico y bajas velocidades de rotación. Debido a que estas condiciones de operación impactan negativamente en los resultados de los métodos y técnicas estándar aplicados en los sistemas actuales de monitoreo basados en el estado, el mantenimiento basado en el estado de los rodamientos pitch sigue siendo un desafío. Por tanto, esta tesis se centra en la investigación de métodos y técnicas novedosas que obtengan información fiable sobre el estado de los rodamientos pitch para el mantenimiento basado en la condición. Inicialmente, se realiza el reconocimiento del estado del arte para reconocer los métodos y señales utilizados. Este paso avala la decisión de analizar las señales de vibración y las emisiones acústicas a lo largo de esta tesis. Debido a las condiciones de funcionamiento particulares de los rodamientos pitch, esta investigación reconoce la necesidad de crear un conjunto de datos para replicar las condiciones de funcionamiento particulares del rodamiento pitch en una experiencia de laboratorio controlado. Como resultado, se genera un conjunto de datos basado en vibraciones y un segundo conjunto de datos basado en emisiones acústicas. El conjunto de datos de vibraciones permite la validación de un algoritmo novedoso para el diagnóstico de rodamientos de baja velocidad, el cual se basa en el concepto de la entropía según la definición de Shannon y Rényi. En comparación con los métodos clásicos que se encuentran en la literatura, el diagnóstico de rodamientos de baja velocidad basado en indicadores basados en la entropía puede extraer información más confiable. Además, la investigación de la combinación de varios indicadores para mejorar el diagnóstico revela que los indicadores basados en la entropía pueden extraer más información que los indicadores habituales utilizados en la academia. El conjunto de datos de las emisiones acústicas de los rodamientos de baja velocidad ayuda a contribuir al desarrollo de métodos de diagnóstico. En esta investigación, el análisis de la energía de las señales revela una dependencia de la intensidad y la presencia de daño. Además, se enfatiza una relación entre la forma de onda de la energía analizada y la existencia de daño.L'energia eòlica és una de les principals energies renovables considerades per reemplaçar els combustibles fòssils en la generació d'electricitat a nivell mundial. Per millorar i accelerar la seva implementació a gran escala, és vital reduir els costos associats amb el manteniment. Com els trencaments dels components obliguen a la turbina a aturar-se durant llargs períodes de reparació, la industria eòlica necessita canviar de l'antiquat manteniment preventiu o correctiu al manteniment basat en la condició (també anomenat manteniment predictiu). El manteniment basat en la condició dels rodaments de pas és especialment desafiant, perquè les condicions d’operació inclouen un alt estrès mecànic i baixes velocitats de rotació. A causa de que aquestes condicions d’operació impacten negativament en els resultats dels mètodes i tècniques estàndard aplicats en els sistemes actuals de monitorització basats en l'estat, el manteniment basat en l'estat dels rodaments de pas segueix sent un desafiament. Per tant, aquesta tesi se centra en la investigació de mètodes i tècniques noves que obtinguin informació fiable sobre l'estat dels rodaments de pas per al manteniment basat en la condició. Inicialment, es realitza el reconeixement de l'estat de l'art per reconèixer els mètodes i senyals utilitzats. Aquest pas avala la decisió d'analitzar els senyals de vibració i les emissions acústiques al llarg d'aquesta tesi. A causa de les condicions de funcionament particulars dels rodaments de pas, aquesta investigació reconeix la necessitat de crear un conjunt de dades per replicar les condicions de funcionament particulars del rodament de pas en un experiment de laboratori controlat. Com a resultat, es genera un conjunt de dades basat en vibracions i un segon conjunt de dades basat en emissions acústiques. El conjunt de dades de vibracions permet la validació d'un algoritme nou per al diagnòstic de rodaments de baixa velocitat, el qual es basa en el concepte de l'entropia segons la definició de Shannon i Renyi. En comparació amb els mètodes clàssics que es troben a la literatura, el diagnòstic de rodaments de baixa velocitat basat en indicadors basats en l'entropia pot extreure informació més fiable. A més, la investigació de la combinació de diversos indicadors per millorar el diagnòstic revela que els indicadors basats en l'entropia poden extreure més informació que els indicadors habituals utilitzats en la literatura. El conjunt de dades de les emissions acústiques dels rodaments de baixa velocitat ajuda a contribuir al desenvolupament de mètodes de diagnòstic. En aquesta investigació, l’anàlisi de l'energia de les senyals revela una dependència de la intensitat i la presència de dany. A més, s'emfatitza una relació entre la forma d'ona de l'energia analitzada i l’existència de dany.Energia eolikoa mundu mailan elektrizitatea sortu eta erregai fosilak ordezkatzeko energia berriztagarri nagusietako bat da. Eskala handiko ezarpena hobetu eta bizkortzeko, ezinbestekoa da mantentze-lanekin lotutako kostuak murriztea. Osagaien hausturek turbina konponketa-aldi luzeetan gelditzera behartzen dutenez, industria eolikoak mantentze-lan prebentibo edo zuzentzaile zaharkitutik egoeran oinarritutako mantentzelanetara aldatu behar du (mantentze-lan prediktiboa ere esaten zaio). Pitch errodamenduen egoeran oinarritutako mantentzea bereziki desa atzailea da, tentsio mekaniko handiak jasaten baitituzte eta errotazio-abiadura txikietan egoten baitira abian. Operaziobaldintza horiek eragin negatiboa dutenez egoeran oinarritutako egungo monitorizazio sistemetan erabiltzen diren metodo eta teknika estandarren emaitzetan, pitch errodamenduen egoeran oinarritutako mantentze-lanak erronka bat izaten jarraitzen du. Tesi hau egoeran oinarritutako mantenurako pitch errodamenduen egoerari buruzko informazio dagarria lortzen duten metodo eta teknika berritzaileen ikerketan oinarritzen da. Hasieran, teknologiaren egungo egoera aztertzen da, erabilitako metodoak eta seinaleak ezagutzeko. Urrats honek tesi honetan zehar bibrazio-seinaleak eta emisio akustikoak aztertzeko erabakia bermatzen du. Pitch errodamenduen funtzionamendu baldintza bereziak direla eta, ikerketa honek adierazten du beharrezkoa dela datu multzo bat sortzea pitch errodamenduaren funtzionamendu baldintza partikularrak erreplikatzeko laborategi kontrolatuko testuinguru batean. Ondorioz, bibrazioetan oinarritutako datu-multzo bat eta emisio akustikoetan oinarritutako bigarren datu-multzo bat sortzen dira. Bibrazioen datu-multzoak abiadura txikiko errodamenduen diagnostikorako algoritmo berritzaile bat baliozkotzea ahalbidetzen du, zeina entropiaren kontzeptuan oinarritzen baita Shannon eta R enyiren de nizioaren arabera. Literaturan dauden metodo klasikoekin alderatuta, entropian oinarritutako adierazleek abiadura txikiko errodamenduen diagnostikorako informazio dagarriagoa atera dezakete. Gainera, diagnostikoa hobetzeko hainbat adierazleren konbinazioaren ikerketak agerian uzten du entropian oinarritutako adierazleek akademian erabiltzen diren ohiko adierazleek baino informazio gehiago atera dezaketela. Abiadura txikiko errodamenduen emisio akustikoen datu multzoak diagnostiko metodoak garatzen laguntzen du. Ikerketa lan honetan, seinaleen energiaren azterketak intentsitatearekiko eta kaltearen presentziarekiko dependentzia adierazten du. Gainera, aztertutako energiaren uhin-formaren eta kaltearen arteko erlazioa nabarmentzen da.Postprint (published version

Multiple-fault detection and identification scheme based on hierarchical self-organizing maps applied to an electric machine

Strategies of condition monitoring applied to electric motors play an important role in the competitiveness of multiple industrial sectors. However, the risk of faults coexistence in an electric motor and the overlapping of their effects in the considered physical magnitudes represent, currently, a critical limitation to provide reliable diagnosis outcomes. In this regard, additional investigation efforts are required towards high-dimensional data fusion schemes, particularly over the features calculation and features reduction, which represent two decisive stages in such data-driven approaches. In this study, a novel multiple-fault detection and identification methodology supported by a feature-level fusion strategy and a Self-Organizing Maps (SOM) hierarchical structure is proposed. The condition diagnosis as well as the corresponding estimated probability are obtained. Moreover, the proposed method allows the visualization of the results while preserving the underlying physical phenomenon of the system under monitoring. The proposed scheme is performed sequentially; first, a set of statistical-time based features is estimated from different physical magnitudes. Second, a hybrid feature reduction method is proposed, composed by an initial soft feature reduction, based on sequential floating forward selection to remove the less informative features, and followed by a hierarchical SOM structure which reveals directly the diagnosis and probability assessment. The effectiveness of the proposed detection and identification scheme is validated with a complete set of experimental data including healthy and five faulty conditions. The accuracy’s results are compared with classical condition monitoring approaches in order to validate the competency of the proposed method.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

On the use of context information for an improved application of data-based algorithms in condition monitoring

xi, 124 p.En el campo de la monitorización de la condición, los algoritmos basados en datos cuentan con un amplio recorrido. Desde el uso de los gráficos de control de calidad que se llevan empleando durante casi un siglo a técnicas de mayor complejidad como las redes neuronales o máquinas de soporte vectorial que se emplean para detección, diagnóstico y estimación de vida remanente de los equipos. Sin embargo, la puesta en producción de los algoritmos de monitorización requiere de un estudio exhaustivo de un factor que es a menudo obviado por otros trabajos de la literatura: el contexto. El contexto, que en este trabajo es considerado como el conjunto de factores que influencian la monitorización de un bien, tiene un gran impacto en la algoritmia de monitorización y su aplicación final. Por este motivo, es el objeto de estudio de esta tesis en la que se han analizado tres casos de uso. Se ha profundizado en sus respectivos contextos, tratando de generalizar a la problemática habitual en la monitorización de maquinaria industrial, y se ha abordado dicha problemática de monitorización de forma que solucionen el contexto en lugar de cada caso de uso. Así, el conocimiento adquirido durante el desarrollo de las soluciones puede ser transferido a otros casos de uso que cuenten con contextos similares

On the use of context information for an improved application of data-based algorithms in condition monitoring

xi, 124 p.En el campo de la monitorización de la condición, los algoritmos basados en datos cuentan con un amplio recorrido. Desde el uso de los gráficos de control de calidad que se llevan empleando durante casi un siglo a técnicas de mayor complejidad como las redes neuronales o máquinas de soporte vectorial que se emplean para detección, diagnóstico y estimación de vida remanente de los equipos. Sin embargo, la puesta en producción de los algoritmos de monitorización requiere de un estudio exhaustivo de un factor que es a menudo obviado por otros trabajos de la literatura: el contexto. El contexto, que en este trabajo es considerado como el conjunto de factores que influencian la monitorización de un bien, tiene un gran impacto en la algoritmia de monitorización y su aplicación final. Por este motivo, es el objeto de estudio de esta tesis en la que se han analizado tres casos de uso. Se ha profundizado en sus respectivos contextos, tratando de generalizar a la problemática habitual en la monitorización de maquinaria industrial, y se ha abordado dicha problemática de monitorización de forma que solucionen el contexto en lugar de cada caso de uso. Así, el conocimiento adquirido durante el desarrollo de las soluciones puede ser transferido a otros casos de uso que cuenten con contextos similares

Machine Learning Applied to Non-periodic Event Detection – A Special Case in Structural Health Monitoring

Structural Health Monitoring (SHM) is known as the process of implementation of damage detection and characterization strategy. The method is widely used in modern critical equipment to minimize the risk of failures. While a significant effort has been devoted by researchers for the detection of faults in situations including periodic dynamic loads, there are no generally recognized methods for the identification of a non-periodic event, especially those with low signal-to-noise ratio (SNR). In this research, the case of an impact on wind turbines blades, as a typical non-periodic event during normal turbine operations, was studied using the newly developed advanced SHM method with implementation of support vector machine, a machine learning algorithm, explicitly, developed for the case with low SNR. Field tests were performed to collect data from vibration sensors installed on blades with artificial impacts obtained by launching tennis balls toward the blades’ trajectory. Pre-processing showed that nearly half of the recorded impact events were successfully identified by visual inspection or by performing short-time Fourier transform. The present research covers visually undetectable impact events, masked under background noise due to low SNR. Numerically simulated impacts on blades at various levels of SNR were used to perform an analysis of various training methods for the machine learning impact detection algorithm. Performance of the trained prediction model was evaluated using filed experimental data. Results on the feasibility and the efficiency of new proposed support vector machine algorithm including its optimization and accuracy were reported

New Transfer Learning Approach Based on a CNN for Fault Diagnosis

Induction motors operate in difficult environments in the industry. Monitoring the performance of motors in such circumstances is significant, which can provide a reliable operation system. This paper intends to develop a new model for fault diagnosis based on the knowledge of transfer learning using the ImageNet dataset. The development of this framework provides a novel technique for the diagnosis of single and multiple induction motor faults. A transfer learning model based on a VGG-19 convolutional neural network (CNN) was implemented, which provided a quick and fast training process with higher accuracy. Thermal images with different induction motor conditions were captured with the help of an FLIR camera and applied as inputs to investigate the proposed model. The implementation of this task involved the use of a VGG-19 CNN-based pre-trained network, which provides autonomous features learning based on minimum human intervention. Next, a dense-connected classifier was applied to predict the true class. The experimental results confirmed the robustness and reliability of the developed technique, which was successfully able to classify the induction motor faults, achieving a classification accuracy of 99.8%. The use of a VGG-19 network allowed the attributes to be automatically extracted and associated with the decision-making part. Furthermore, this model was further compared with other applications based on related topics; it successfully proved its superiority and robustness