Novel techniques for an effective diagnostics of closed-loop inverter-fed induction motors

I motori a induzione sono fondamentali in numerose applicazioni industriali grazie alla loro robustezza, semplicità ed efficienza. Questi motori, che trasformano l'energia elettrica in energia meccanica, sono particolarmente apprezzati per la loro capacità di operare in ambienti difficili e per la loro durabilità. Tuttavia, l'integrazione di sistemi di controllo per ottimizzare le prestazioni e garantire l'affidabilità introduce nuove sfide, specialmente nella rilevazione dei guasti. Il controllo ad anello chiuso, comunemente utilizzato per migliorare la stabilità e le prestazioni del motore, può complicare notevolmente il processo di rilevamento dei guasti, oscurando gli indicatori di malfunzionamento e rendendo meno efficaci i metodi tradizionali di diagnostica, sviluppati per sistemi ad anello aperto o alimentazione da rete. Questo studio mira a investigare l'impatto del controllo ad anello chiuso sulla rilevazione dei guasti nei motori a induzione e a sviluppare tecniche di elaborazione che migliorino l'accuratezza del rilevamento nonostante le complessità introdotte dal controllo. Le misurazioni sono state condotte presso il Laboratorio di Diagnostica di Macchine Elettriche dell'Università di Valladolid. Si sottolinea che questa ricerca non ha l’obiettivo di progettare nuove tecniche di controllo, ma di impiegare metodi di controllo tradizionali, disponibili sugli azionamenti elettrici commerciali, per analizzarne gli effetti su motori guasti e di conseguenza proporre tecniche diagnostiche innovative efficaci anche per motori controllati in anello chiuso. In particolare, lo studio valuta le prestazioni di due tipi di controllo: il controllo scalare e il controllo a tensione vettoriale (VVC). Il controllo scalare verrà impiegato solo in anello aperto, regolando la frequenza e l’ampiezza della tensione fornita al motore senza alcuna compensazione. Al contrario, il VVC sarà impiegato in due modalità: la prima verrà definita in “anello aperto”, ossia senza sensore per misurare la velocità, ma con un anello di compensazione dell’ampiezza e dell’angolo del vettore della tensione basato su un modello del motore; la seconda sarà definita in “anello chiuso”, in quanto comprende un secondo anello di compensazione basato sulla misura della velocità reale tramite encoder. Comprendere come i diversi tipi di controllo, e in particolare quelli in anello chiuso, possano influire sulla rilevazione dei guasti è cruciale, in quanto i produttori commerciali di inverter spesso non divulgano il funzionamento interno dei loro sistemi di controllo, rendendo così complesso il processo di diagnostica. La presente tesi è così costituita: nel primo capitolo viene fornito un approfondito background teorico sui motori a induzione, i loro metodi di controllo e i potenziali guasti. Successivamente, si esaminano le tecniche di elaborazione digitale dei segnali utilizzate per analizzare i dati raccolti, con particolare attenzione alla Fourier Transform per l'analisi in regime stazionario e alla Short Time Fourier Transform per l'analisi in regime transitorio. Il secondo capitolo prevede la descrizione del banco prova, includendo l'allestimento sperimentale e il processo di tuning del PID. Nel terzo capitolo vengono invece presentati i risultati ottenuti dall'analisi del segnale, focalizzandosi su corrente e tensione

Induction motors are fundamental components in numerous industrial applications due to their robustness, simplicity, and operational efficiency. These motors, which convert electrical energy into mechanical energy, are particularly valued for their ability to operate in challenging environments and their long-term reliability. However, integrating control systems to optimize performance and ensure reliability introduces new challenges, especially in fault detection. Closed loop control, commonly used to enhance motor stability and performance, can significantly complicate the fault detection process. Control actions can obscure fault indicators, making traditional methods, developed for open loop systems, less effective. This study aims to investigate the impact of closed loop control on fault detection in induction motors and to develop post-processing techniques that enhance fault detection accuracy despite the complexities introduced by closed loop control. To address this issue, post-processing techniques were developed utilizing algorithms to isolate fault-related information despite signal distortions. Laboratory experiments were conducted at Laboratory of Diagnostics of Electrical Machines at the University of Valladolid to display and analyse various signals produced by both healthy and faulty three-phase induction motors powered by either inverters or the grid. It is emphasized that this research does not aim to design new control techniques, but to employ traditional control methods, available on commercial electrical drives, to analyze their effects on faulty motors and consequently propose innovative diagnostic techniques that are also effective for closed loop controlled motors. In particular, the study evaluates the effects of two types of control: scalar control and Vector Voltage Control (VVC). Scalar control will be used only in open loop, adjusting the frequency and amplitude of the voltage supplied to the motor without any compensations. On the contrary, VVC will be used in two modes: the first will be defined as “open loop”, i.e. without a sensor to measure the speed, but with a compensation loop of the amplitude and angle of the voltage vector based on a model of the motor; the second will be defined as “closed loop” as it includes a second compensation loop based on the measurement of the actual speed by means of an encoder. Understanding how different types of control, particularly closed-loop controls, can affect fault detection is crucial, as commercial manufacturers often do not disclose the internal workings of their control systems. This thesis is structured as follows: in the first chapter, a comprehensive theoretical background on induction motors, their control methods, and potential faults is provided. Subsequently, the digital signal processing techniques used to analyse the collected data are examined, with particular attention to the Fourier Transform for steady-state analysis and the Short Time Fourier Transform for transient-state analysis. The second chapter includes a description of the test bench, encompassing the experimental setup and the PID tuning process. In the third chapter, the results obtained from the signal analysis are presented, focusing on current and voltage.