On-line monitoring of three-phase induction motors

Orientador: Robson PederivaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Um programa de manutenção preditiva deve englobar várias técnicas de monitoramento a condição do motor elétrico. Dentre elas, pode-se citar como clássicas, a análise de corrente elétrica e análise de vibrações. Entretanto, existe um grande número de dificuldades associadas com estas técnicas e, conseqüentemente, com suas aplicações in loco no parque fabril. Isto ocorre devido ao largo espectro de possíveis defeitos, tais como: curto circuito entre espiras, desequilíbrio de fase e falhas de barras rotativas do rotor. Este trabalho propõe a implementação de um transdutor (bobina de fluxo) sensível às ondas eletromagnéticas dentro dos motores de indução trifásicos para a detecção, diagnóstico e monitoramento on-line. Foi obtida uma relação entre as principais falhas de origem elétrica (curto circuito entre espiras, desequilíbrio de fase e barras quebradas) com os sinais de fluxo magnético, sendo estabelecidas as freqüências características de falhas. No trabalho é proposto o uso da lógica fuzzy para o monitoramento online. A condição do motor é descrita através de variáveis lingüísticas. Uma base de regras foi construída para ser usada pelo método de inferência fuzzy. O motor de indução é diagnosticado pela composição do conjunto de regras do método de inferência. Os resultados experimentais comprovaram a eficiência do sensor proposto e da estratégia de detecção, diagnóstico e monitoramento on-line, podendo ser futuramente incluídos em Programas de Manutenção PreditivaAbstract: A predictive maintenance program must include several techniques of monitoring of the electric motor¿s conditions. Among these techniques, probably the two most classic ones are related to electric current and vibration analysis. Unfortunately, in both cases inherent drawbacks make difficult their use in loco on industry plants. As there is a large range of possible fault sources and abnormal machine use conditions (such as inter-turn short circuits, unbalanced voltage supplies and broken rotor bars) the determination of the real machine problem is difficult. This work presents the implementation of a special sensor developed (flux coil sensor) inside three-phase induction motors used as experimental platforms. This sensor is sensitive to electromagnetic waves and they are used for detection, diagnosis, and on-line monitoring of electrical faults. It was established a relation between the main electrical faults (inter-turn short circuits, unbalanced voltage supplies and broken rotor bars) and the signals of magnetic flux, that were identified the characteristic frequencies of these faults. In this work, it is proposed the use of fuzzy logic for the on-line monitoring. The motor operational conditions are described by using fuzzy linguistic variables. A knowledge base, comprising fuzzy rules and databases, was built to support the fuzzy inference process. The conditions of the induction motors used during the test phase are diagnosed using a compositional rule and fuzzy inference procedures. The experimental results shown the efficiency of the flux coil sensor developed and the strategies for detection, diagnosis, and on-line monitoring tasks. The results were undoubtedly impressive and in a near future the system developed can be adapted and used in real predictive maintenance programs in industriesDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânic

Nondestructive Tests for Induction Machine Faults Diagnosis

A maintenance program must include several techniques of monitoring of the electric motor\u27s conditions. Among these techniques, probably the two classic ones are related to megger and impulse test. Unfortunately, in both cases, inherent drawbacks can expose the electrical motor at a high voltage that could deteriorate insulation condition making difficult its use on industrial environment. As the electrical machines have several different components (e.g., bearings, rotor bars, shaft, and stator windings), the fault frequencies can be excited by mechanical and/or electrical faults making the identification of the real condition difficult. This chapter describes several methods of the nondestructive tests for induction motors based on the motor current signature analysis (MCSA), magnetic flux, and vibration analysis. The method of analysis is a good alternative tool for destructive tests and fault detection in induction motors. Numerical and experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed technique. This chapter also presents a model suitable for computer simulation of induction motor in a healthy state and with general asymmetries that can be analyzed simultaneously. The model makes it possible to conduct research on different characteristics of engines and outstanding effects produced by the faults

A Fitted empirical demodulation for low frequency electrical signal evaluation

Empirical Demodulation (ED) is a technique used to build a discrete signal, called an empirical envelope, from a modulated time sequence. For example, in three-phase induction motors, this envelope can carry fault frequency data that allows the machine health status to be evaluated during a spectral analysis. However, due to mathematical reasons, the method is very sensitive to the amplitude oscillations within the signal. When these oscillations are unwanted, as in the presence of measurement noise, the results can be strongly affected. This work proposes an iterative and adjustable version of the ED that considerably reduces its sensitivity to the presence of high frequency noise, thus eliminating the need for signal pre-filtering. To prove the effectiveness of the Fitted Empirical Demodulation, the authors applied the new tool in motor current signals for analysis of the rotor bars conditions

Bi-Signature optical spectroscopy for online fault detection in electrical machines

A novel bi-signature optical spectroscopy for fault detection in electrical machines is presented. The combined use of long period grating (LPG) and two fibre Bragg gratings (FBG1 and FBG2) is implemented to discriminate between vibration and temperature sensitivity in the detection of machine faults. With LPG having higher sensitivity to temperature compared to both FBGs, machine faults are detected through spectral analysis of both signatures; and the optimal detection signature for each fault is consequently analysed. This novel technique utilises the principle of a shift in the wavelengths of the gratings to determine the kind of fault present in an electrical machine as the signature spectroscopy reveals varying amount of Bragg wavelength shifts for various fault types. The use of FBG sensing for fault detection in electrical machines has the potential of revolutionising non-intrusive real-time condition monitoring of future industrial machines with high reliability due to zero electromagnetic interference (EMI) as well as significant low cost of fibre-optic sensors

Análise comparativa entre a têmpera e partição versus a têmpera e revenimento para o aço SAE 4340

Um novo tratamento térmico tem sido pesquisado recentemente, cuja denominação é têmpera e partição(TP), com o intuito de criar aços com austenita estável em sua microestrutura. Inicialmente, esse tratamentofoi realizado em aços de alto silício, não obstante, seu potencial alcança outros diversos materiais como os debaixa liga contendo níquel ou manganês. O mesmo consiste em realizar a têmpera entre temperaturas inicial(Ms) e final (Mf) da transformação martensítica, seguidos por um reaquecimento a um estágio isotérmicodurante um certo período. Neste trabalho, foi realizado a TP no aço SAE 4340, austenitizados a 870 °Cdurante 30 min, então temperado em polímero ao patamar de 240 °C e por fim, particionado em três temposdistintos: 10 s, 30 s, e 90 s. Ainda, foi feito a têmpera e revenimento (TR) no mesmo material para comparaçõesentre as microestruturas e propriedades mecânicas, através de microscopia óptica, microscopia eletrônicade varredura, difração de raios-x (DRX), além de ensaios de microdureza Vickers. Observou-se uma microestruturacomplexa nas amostras oriundas da TP, diferentemente dos corpos de prova da TR. A partir doDRX, obteve-se indícios de que o tempo de 30 s para o processo de partição foi o mais efetivo em estabilizara austenita retida. Soma-se a isso, a alta dureza alcançada, chegando ao nível de 696HV1.Palavras-chave: Aços de baixa liga. Austenita retida. Microestrutura. Martensita

Exposição ocupacional a vibrações em mãos e braços / Occupational exposure to vibrations in hands and arms

 A exposição ocupacional a vibrações está presente nas mais variadas formas de trabalho, sendo que um dos diversos riscos à saúde dos trabalhadores nas atividades realizadas em indústrias é a vibração em mãos e braços. Em conformidade com a norma ISO 5349-1, este trabalho tem por objetivo avaliar as frequências e os níveis vibracionais transmitidos aos membros superiores por uma lixadeira manual. A partir da análise dos resultados experimentais, obtidos por meio de um acelerômetro triaxial, pôde-se observar a importância da adoção de medidas preventivas que garantam a saúde e a integridade laboral dos profissionais submetidos a tais condições. Os resultados também mostram como o uso de uma luva de proteção anti-vibração reduz consideravelmente os níveis de exposição, proporcionando condições de trabalho mais seguras

Predictive accompaniment of three-phase induction motors by magnetic flux analysis

Orientador: Robson PederivaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia MecanicaResumo: Um programa de manutenção preditiva deve englobar várias técnicas de monitoramento da condição do motor elétrico. Dentre elas, pode-se citar como clássicas, a análise de corrente elétrica e análise de vibrações. Entretanto, existe um grande número de dificuldades associadas com estas técnicas e, conseqüentemente, com suas aplicações práticas. Isto devido à abrangência de detecção de defeitos tais como: falhas de barras rotativas do rotor; falhas no estator; desbalanceamento de tensão e curto circuito (entre fase e entre espiras). O diagnóstico de defeitos a partir da análise de fluxo magnético tem sido proposto por fabricantes de equipamentos da área de monitoramento de máquinas. Entretanto, esta técnica não tem sido explorada com profundidade para aplicação num programa de manutenção. Este trabalho propõe a implementação de um transdutor (bobina de fluxo) sensível às ondas eletromagnéticas dentro dos motores de indução trifásicos, identificando as freqüências determinísticas relacionadas aos defeitos comuns a estes tipos de máquinas. Os espectros coletados com este novo sensor são comparados com um sensor comercial, mostrando sua eficiência. Este estudo é uma contribuição importante, uma vez que o sensor implementado chega a ter um custo centenas de vezes menores que o sensor comercial. Outra vantagem á a possibilidade deste novo sensor ser compartilhado com qualquer analisador de sinais encontrado no mercado.Abstract: A predictive maintenance program must include several techniques of monitoring of the electric motor's conditions. Among then, can relate techniques based on electric current analysis and vibration analysis. On the other hand there is a great number of difficulties associated with these techniques and consequently with its practical applications. For example, the ability to diagnosis some defects such as broken rotor bars, fault in the stator, unbalancing of electric tension and short circuit. The diagnosis of these excitations through the magnetic flux analysis has been proposed by the device's manufactures in the field of machinery monitoring. However, this technique has not been explored with depth for application in a maintenance program. This work considers the implementation of special sensor (flux coil) inside the three-phase induction motors which is sensitive to electromagnetic waves and permit to identify the deterministic frequencies related with these excitations. The spectra acquired with the special sensor are compared with commercial sensor showing its efficiency. These special sensor has a low cost (hundred times lower than the commercial sensor) and also can be used with every commercial signals Analyzer.MestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânic