Impact of closed loop control on current signature analysis for an inverter fed induction motor

Induction motors represent roughly the 90% of the industrial electrical motors. They are very reliable and versatile, so they represent the most significant consumers of electric energy as a consequence. As often they are employed for continuous duty, being therefore crucial for the industrial process, diagnostics is becoming a fundamental branch of study lately to avoid technical and financial losses due to faults. Furthermore, nowadays always more often a speed control is required. Induction motor diagnostics makes use of several different techniques, each of them tailored for a specific situation that may show up. One of the most interesting techniques is the time-frequency analysis of induction motors currents, which allow to get information on both transient and steady state condition of signals, in both time and frequency domains. The purpose of this thesis is to show and to analyze the frequency-time plot of the currents (and to a lesser extent other physical signals) produced by a healthy three-phase induction motor, in the case of inverter fed machine. An investigation about the differences of the signals produced by two different inverters will be performed. While one inverter can only work in open loop, the other one can work both in open loop and closed loop speed control. The focus is not the time-frequency method per se, but rather the application of the technique in the case of inverter fed machine, especially in closed loop, a quite innovative study case. The thesis is structured as follows: first, a brief introduction to the theoretical tools required in the study, then a section will be dedicated to the description of the test bench tuning, as the setup was never used before; after that, the main features of the custom made Matlab code for data acquisition will be shown and finally there will be space for the proper signal analysis, in order to understand trend and behaviour of currents in the different operating conditions.

Studio dell’impatto di un controllo in anello chiuso sull'analisi delle armoniche di corrente di un motore asincrono alimentato da inverter. I processi industriali, nell'ultimo periodo, richiedono sempre più spesso controllabilità e versatilità, nell'ottica del movimento Industria 4.0. I motori elettrici ad oggi assorbono circa il 90% dell'energia elettrica prodotta, rendendoli cruciali nel processo produttivo. Per questo, la diagnostica degli azionamenti elettrici diventa un aspetto critico nel mondo industriale, al fine di monitorare lo stato di salute dei dispositivi ma anche per individuare eventuali guasti. La diagnostica classica non è però in grado di affrontare lo studio di sistemi controllati in anello chiuso. Questa tesi si propone di affrontare questa sfida, con tecniche di diagnostica innovative. Lo studio è applicato su un motore asincrono alimentato da due diversi tipi di inverter: uno opera solo in anello aperto, mentre il secondo permette anche di applicare un controllo di velocità in anello chiuso. Il carico è composto da un generatore di corrente continua che alimenta un numero variabile di banchi di resistenze. In questo modo, è stato possibile operare uno studio comparativo degli spettri armonici di corrente in numerose condizioni operative: diversi inverter, carico variabile, frequenze variabili, in anello aperto e chiuso. Infine, è stata anche introdotta una condizione di disallineamento, per generare un effetto di eccentricità. Il documento è organizzato come segue: dopo una breve introduzione teorica ai metodi di analisi spettrale (in particolare gli spettrogrammi), viene descritto l'allestimento del banco di prova e il progetto del regolatore. Infine, viene presentata l'analisi delle correnti, soffermandosi sui risultati di maggior interesse. Un'ultima sezione separata è dedicata ad ospitare una selezione di grafici significativi.