Διάγνωση σφαλμάτων ηλεκτρικών κινητηρίων συστημάτων οδηγούμενων από ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος

Abstract

The objective of the present dissertation is the development of innovative methodologies and algorithms for the detection and diagnosis of faults which may occur in electric drive systems consisting of three-phase asynchronous motors driven by an electronic power converter with the criterion of their most reliable diagnosis. More specifically, starting with the development of new methodologies for the detection of asymmetries in the stator, the research then focused on the diagnosis of the broken rotor bar fault.In this regard, the main diagnostic tool was the study of the harmonic content of the motor stator current. For the reliable diagnosis of the fault, the use of two innovative methodologies based on the Goertzel algorithm and the Synchrosqueezing Wavelet transform was proposed. These two signal processing techniques while widely used in other scientific fields (eg communications, seismology, biomedicine) have either not been used at all or have been investigated to a very small extent in the field of motor fault diagnosis. The effectiveness of the proposed methodologies is evaluated in each case first when the motors under study are supplied by the grid and then when they are driven by the electronic power converter. For this purpose, an original experimental set-up was designed and built in the Laboratory. It turns out that the proposed methodologies can offer significant advantages compared to other conventional techniques, being important tools in the direction of timely and effective fault diagnosis.In addition, a new methodology for the diagnosis of the fault of the broken rotor bar, by monitoring the signal of the mechanical torque at frequencies close to the 6th harmonic of the signal is proposed. It is examined whether the method can lead to the reliable diagnosis of the fault by the analysis of the signal in the frequency-time domain both at start-up and in the steady state. Extensive experimental investigation has led to the conclusion that this technique can be used to reliably diagnose the fault when the motor is supplied by the grid both at start-up and in steady state.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη καινοτόμων μεθοδολογιών και αλγορίθμων για την ανίχνευση και τη διάγνωση σφαλμάτων που εμφανίζονται σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα αποτελούμενα από τριφασικούς ασύγχρονους κινητήρες οδηγούμενους από ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος με κριτήριο την όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστη διάγνωση αυτών. Πιο συγκεκριμένα, ξεκινώντας από την ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για την ανίχνευση ασυμμετριών στο στάτη, η έρευνα επικεντρώθηκε στη συνέχεια στη διάγνωση του σφάλματος της σπασμένης μπάρας του δρομέα του κινητήρα.Προς την κατεύθυνση αυτή, βασικό διαγνωστικό μέσο αποτέλεσε η μελέτη του αρμονικού περιεχομένου του ρεύματος του στάτη του κινητήρα. Για την αξιόπιστη διάγνωση του σφάλματος προτάθηκε η χρήση δύο καινοτόμων μεθοδολογιών που βασίζονται, η, μεν, πρώτη στον αλγόριθμο Goertzel και η, δε, δεύτερη στο μετασχηματισμό Synchrosqueezing Wavelet. Οι δύο αυτές τεχνικές επεξεργασίας σήματος ενώ εμφανίζουν ευρεία χρήση σε άλλα επιστημονικά πεδία (π.χ. επικοινωνίες, σεισμολογία, βιοϊατρική) είτε δεν έχουν χρησιμοποιηθεί καθόλου είτε έχουν διερευνηθεί σε πολύ μικρό βαθμό στον τομέα της διάγνωσης σφαλμάτων ηλεκτρικών μηχανών. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών αξιολογείται σε κάθε περίπτωση αρχικά όταν οι υπό μελέτη κινητήρες τροφοδοτούνται από το δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης και στη συνέχεια κατά την οδήγησή τους από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο μια πρωτότυπη πειραματική διάταξη. Προκύπτει πως οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μπορούν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με άλλες κλασσικές τεχνικές, αποτελώντας σημαντικά εργαλεία στην κατεύθυνση της έγκαιρης και αποτελεσματικής διάγνωσης του σφάλματος. Επιπλέον, προτείνεται μία νέα μεθοδολογία για τη διάγνωση του σφάλματος της σπασμένης μπάρας του δρομέα, με παρακολούθηση του σήματος της μηχανικής ροπής σε συχνότητες πλησίον της 6ης αρμονικής του σήματος. Εξετάζεται κατά πόσον η μέθοδος μπορεί να οδηγήσει στην αξιόπιστη διάγνωση του σφάλματος με την ανάλυση του σήματος στο πεδίο συχνότητας – χρόνου τόσο κατά την εκκίνηση όσο και στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα. Η εκτεταμένη πειραματική διερεύνηση οδήγησε στο συμπέρασμα πως η συγκεκριμένη τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιόπιστη διάγνωση του σφάλματος όταν ο κινητήρας τροφοδοτείται από το δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης τόσο κατά την εκκίνηση όσο και κατά τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του.