Magnetic Flux Analysis for the Condition Monitoring of Electric Machines: A Review

[EN] Magnetic flux analysis is a condition monitoring technique that is drawing the interest of many researchers and motor manufacturers. The great enhancements and reduction in the costs and dimensions of the required sensors, the development of advanced signal processing techniques that are suitable for flux data analysis, along with other inherent advantages provided by this technology are relevant aspects that have allowed the proliferation of flux-based techniques. This paper reviews the most recent scientific contributions related to the development and application of flux-based methods for the monitoring of rotating electric machines. Particularly, aspects related to the main sensors used to acquire magnetic flux signals as well as the leading signal processing and classification techniques are commented. The discussion is focused on the diagnosis of different types of faults in the most common rotating electric machines used in industry, namely: squirrel cage induction machines (SCIM), wound rotor induction machines (WRIM), permanent magnet machines (PMM) and wound field synchronous machines (WFSM). A critical insight of the techniques developed in the area is provided and several open challenges are also discussed.This work was supported by the Spanish 'Ministerio de Ciencia Innovación y Universidades' and FEDER program in the framework of the "Proyectos de I+D de Generación de Conocimiento del Programa Estatal de Generación de Conocimiento y Fortalecimiento Científico y Tecnologico del Sistema de I+D+i, Subprograma Estatal de Generacion de Conocimiento" reference PGC2018-095747-B-I00 and by the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología under CONACyT Scholarship with key code 2019-000037-02NACF. Paper no. TII-20-5308.Zamudio-Ramírez, I.; Osornio-Rios, RA.; Antonino-Daviu, J.; Razik, H.; Romero-Troncoso, RDJ. (2022). Magnetic Flux Analysis for the Condition Monitoring of Electric Machines: A Review. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18(5):2895-2908. https://doi.org/10.1109/TII.2021.30705812895290818

Modeling and fault diagnosis of broken rotor bar faults in induction motors

Due to vast industrial applications, induction motors are often referred to as the “workhorse” of the industry. To detect incipient faults and improve reliability, condition monitoring and fault diagnosis of induction motors are very important. In this thesis, the focus is to model and detect broken rotor bar (BRB) faults in induction motors through the finite element analysis and machine learning approach. The most successfully deployed method for the BRB fault detection is Motor Current Signature Analysis (MSCA) due to its non-invasive, easy to implement, lower cost, reliable and effective nature. However, MSCA has its own limitations. To overcome such limitations, fault diagnosis using machine learning attracts more research interests lately. Feature selection is an important part of machine learning techniques. The main contributions of the thesis include: 1) model a healthy motor and a motor with different number of BRBs using finite element analysis software ANSYS; 2) analyze BRB faults of induction motors using various spectral analysis algorithms (parametric and non-parametric) by processing stator current signals obtained from the finite element analysis; 3) conduct feature selection and classification of BRB faults using support vector machine (SVM) and artificial neural network (ANN); 4) analyze neighbouring and spaced BRB faults using Burg and Welch PSD analysis

Induction motors fault diagnosis using machine learning and advanced signal processing techniques

In this thesis, induction motors fault diagnosis are investigated using machine learning and advanced signal processing techniques considering two scenarios: 1) induction motors are directly connected online; and 2) induction motors are fed by variable frequency drives (VFDs). The research is based on experimental data obtained in the lab. Various single- and multi- electrical and/or mechanical faults were applied to two identical induction motors in experiments. Stator currents and vibration signals of the two motors were measured simultaneously during experiments and were used in developing the fault diagnosis method. Signal processing techniques such as Matching Pursuit (MP) and Discrete Wavelet Transform (DWT) are chosen for feature extraction. Classification algorithms, including decision trees, support vector machine (SVM), K-nearest neighbors (KNN), and Ensemble algorithms are used in the study to evaluate the performance and suitability of different classifiers for induction motor fault diagnosis. Novel curve or surface fitting techniques are implemented to obtain features for conditions that have not been tested in experiments. The proposed fault diagnosis method can accurately detect single- or multi- electrical and mechanical faults in induction motors either directly online or fed by VFDs. In addition to the machine learning method, a threshold method using the stator current signal processed by DWT is also proposed in the thesis

Diagnosis of electric induction machines in non-stationary regimes working in randomly changing conditions

Tradicionalmente, la detección de faltas en máquinas eléctricas se basa en el uso de la Transformada Rápida de Fourier ya que la mayoría de las faltas pueden ser diagnosticadas con ella con seguridad si las máquinas operan en condiciones de régimen estacionario durante un intervalo de tiempo razonable. Sin embargo, para aplicaciones en las que las máquinas operan en condiciones de carga y velocidad fluctuantes (condiciones no estacionarias) como por ejemplo los aerogeneradores, el uso de la Transformada Rápida de Fourier debe ser reemplazado por otras técnicas. La presente tesis desarrolla una nueva metodología para el diagnóstico de máquinas de inducción de rotor de jaula y rotor bobinado operando en condiciones no estacionarias, basada en el análisis de las componentes de falta de las corrientes en el plano deslizamiento frecuencia. La técnica es aplicada al diagnóstico de asimetrías estatóricas, rotóricas y también para la falta de excentricidad mixta. El diagnóstico de las máquinas eléctricas en el dominio deslizamiento-frecuencia confiere un carácter universal a la metodología ya que puede diagnosticar máquinas eléctricas independientemente de sus características, del modo en el que la velocidad de la máquina varía y de su modo de funcionamiento (motor o generador). El desarrollo de la metodología conlleva las siguientes etapas: (i) Caracterización de las evoluciones de las componentes de falta de asimetría estatórica, rotórica y excentricidad mixta para las máquinas de inducción de rotores de jaula y bobinados en función de la velocidad (deslizamiento) y la frecuencia de alimentación de la red a la que está conectada la máquina. (ii) Debido a la importancia del procesado de la señal, se realiza una introducción a los conceptos básicos del procesado de señal antes de centrarse en las técnicas actuales de procesado de señal para el diagnóstico de máquinas eléctricas. (iii) La extracción de las componentes de falta se lleva a cabo a través de tres técnicas de filtrado diferentes: filtros basados en la Transformada Discreta Wavelet, en la Transformada Wavelet Packet y con una nueva técnica de filtrado propuesta en esta tesis, el Filtrado Espectral. Las dos primeras técnicas de filtrado extraen las componentes de falta en el dominio del tiempo mientras que la nueva técnica de filtrado realiza la extracción en el dominio de la frecuencia. (iv) La extracción de las componentes de falta, en algunos casos, conlleva el desplazamiento de la frecuencia de las componentes de falta. El desplazamiento de la frecuencia se realiza a través de dos técnicas: el Teorema del Desplazamiento de la Frecuencia y la Transformada Hilbert. (v) A diferencia de otras técnicas ya desarrolladas, la metodología propuesta no se basa exclusivamente en el cálculo de la energía de la componente de falta sino que también estudia la evolución de la frecuencia instantánea de ellas, calculándola a través de dos técnicas diferentes (la Transformada Hilbert y el operador Teager-Kaiser), frente al deslizamiento. La representación de la frecuencia instantánea frente al deslizamiento elimina la posibilidad de diagnósticos falsos positivos mejorando la precisión y la calidad del diagnóstico. Además, la representación de la frecuencia instantánea frente al deslizamiento permite realizar diagnósticos cualitativos que son rápidos y requieren bajos requisitos computacionales. (vi) Finalmente, debido a la importancia de la automatización de los procesos industriales y para evitar la posible divergencia presente en el diagnóstico cualitativo, tres parámetros objetivos de diagnóstico son desarrollados: el parámetro de la energía, el coeficiente de similitud y los parámetros de regresión. El parámetro de la energía cuantifica la severidad de la falta según su valor y es calculado en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia (consecuencia de la extracción de las componentes de falta en el dominio de la frecuencia). El coeficiente de similitud y los parámetros de regresión son parámetros objetivos que permiten descartar diagnósticos falsos positivos aumentando la robustez de la metodología propuesta. La metodología de diagnóstico propuesta se valida experimentalmente para las faltas de asimetría estatórica y rotórica y para el fallo de excentricidad mixta en máquinas de inducción de rotor de jaula y rotor bobinado alimentadas desde la red eléctrica y desde convertidores de frecuencia en condiciones no estacionarias estocásticas.Vedreño Santos, FJ. (2013). Diagnosis of electric induction machines in non-stationary regimes working in randomly changing conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34177TESI

Aportación al mantenimiento predictivo de motores de inducción mediante modernas técnicas de análisis de la señal

La presente tesis cuenta con dos objetivos. Por una parte introducir y validar un método de análisis de corrientes estatóricas para el diagnóstico de máquinas de inducción conectadas a la red que operan en estado transitorio, basado en el uso de filtros de rechazo de frecuencia en combinación con la distribución de Wigner-Ville, con especial interés en su aplicación para la detección incipiente de defectos. El segundo objetivo consiste en replicar de la manera más fidedigna posible el proceso de rotura de una barra en el rótor de un motor de inducción. Para ello se ha diseñado un ensayo encaminado a provocar dicha avería sometiendo un motor a fatiga. Con este objetivo se ha construido un banco de pruebas y emplazado los sensores necesarios, así como un sistema de recogida de datos de manera automatizada. Adicionalmente, se ha diseñado los programas de procesamiento de los mismos, también para ser llevado a cabo de la manera lo más desatendida posible.Climente Alarcón, V. (2012). Aportación al mantenimiento predictivo de motores de inducción mediante modernas técnicas de análisis de la señal [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15915Palanci