Diagnosis of broken bar fault in three-phase induction motors using fibre bragg grating strain sensors assisted by an algorithm

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáIn this study, we developed an algorithm for identifying failures caused by broken bars in the rotors of three-phase induction motors through the analysis of their dynamic deformation using fibre optic Bragg gratings (FBGs) as sensing elements. The analysis of dynamic deformation enables the detection and diagnosis of various mechanical faults, such as misalignment, imbalance, bearing failures, and mechanical looseness. Furthermore, it allows for the identification of electrical faults, such as fractures or cracks in the rotor rings or bars To measure the dynamic deformation, we employed FBG-based sensors known for their key features, including high multiplexing capability, electromagnetic radiation immunity, and long-distance operation. Experimental tests were conducted on a small-scale induction motor (3 HP) to validate the method and explore its applicability to medium and large-scale machines. The motor was powered by two different supply sources: the utility power grid and a controled power sources, under load conditions of 75% and 100% of the rated load. During the tests, we used a rotor without any bar defects and subsequently a rotor with a broken bar. The presence of a broken bar was successfully identified under both load conditions and across all two power supply sources. The fault caused by the broken bar in the rotor was detected in two frequency regions obtained from the three sets of experiments. The first region was centred around the mechanical rotational frequency of the rotor, while the second region was approximately twice the electrical frequency of the power supply. The system demonstrated high sensitivity with a good signal-to-noise ratio and showcased advantages over conventional methods and sensors commonly used for identifying broken bar faults in induction motors.Neste estudo, desenvolvemos um algoritmo para identificar falhas em barras quebradas no rotor de motores de indução trifásicos por meio da análise da deformação dinâmica do estator usando grades de Bragg em fibras ópticas (FBGs) com assitência de um algoritmo. Essa análise possibilita a detecção e o diagnóstico de várias falhas mecânicas, como desalinhamento, desbalanceamento e folga mecânica. Além disso, permite a identificação de falhas elétricas, como fraturas ou rachaduras nos anéis ou barras do rotor. Para medir a deformação dinâmica, empregamos sensores baseados em FBG conhecidos por suas principais características, incluindo alta capacidade de multiplexação, imunidade à radiação eletromagnética e operação a longa distância. Testes experimentais foram conduzidos em um motor de indução em pequena escala (3 HP) para validar o método e explorar sua aplicabilidade em máquinas de médio e grande porte. O motor foi alimentado por duas fontes de alimentação diferentes: a rede elétrica de utilidade pública e por uma fonte controlada, sob condições de carga de 75% e 100% da carga nominal. Durante os testes, utilizamos um rotor sem defeitos no rotor e, posteriormente, um rotor com uma barra quebrada. A presença da barra quebrada foi identificada com sucesso em ambas as condições de carga e em todas as duas fontes de alimentação. A barra quebrada no rotor foi detectada em duas regiões de frequência obtidas a partir dos três conjuntos de experimentos. A primeira região estava centrada em torno da frequência rotacional mecânica do rotor, enquanto a segunda região era aproximadamente o dobro da frequência elétrica da fonte de alimentação. O sistema demonstrou alta sensibilidade com uma boa relação sinal-ruído e apresentou vantagens sobre os métodos convencionais e sensores comumente usados para identificar falhas em barras quebradas em motores de indução