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Título: Diagnóstico de falhas de estator em motores de indução trifásicos com base em trajetórias v-i derivadas da teoria de potência conservativa
Título(s) alternativo(s): Stator fault diagnosis in three-phase induction motors based on v-i trajectories derived from the conservative power theory
Autor(es): Barbosa Neto, Jose Pedro
Orientador(es): Souza, Wesley Angelino de
Palavras-chave: Engenharia elétrica
Falhas de energia elétrica
Motores elétricos - Controle eletrônico
Electric engineering
Electric power failures
Electric motors - Electronic control
Data do documento: 20-Fev-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: BARBOSA NETO, Jose Pedro. Diagnóstico de falhas de estator em motores de indução trifásicos com base em trajetórias v-i derivadas da teoria de potência conservativa. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2026.
Resumo: Os motores de indução trifásicos (MITs) são amplamente utilizados na indústria devido à sua robustez, confiabilidade e versatilidade em diferentes condições operacionais. No entanto, apesar desses atributos, esses motores estão sujeitos a falhas que podem ocasionar interrupções na linha de produção, custos operacionais indesejados e, em situações mais severas, na necessidade de substituição do motor. Dentre as falhas possíveis, o curto-circuito entre espiras do enrolamento do estator se destaca por sua complexidade e severidade, sendo especialmente difícil a sua detecção em estágios iniciais. Isso ocorre porque os sinais associados às falhas incipientes são bastante similares aos de operação normal, além da falha apresentar rápida progressão. Diante desse cenário, o desenvolvimento de sistemas de diagnóstico robustos e eficientes torna-se essencial, uma vez que a identificação antecipada permite evitar danos progressivos e manter a integridade do motor. Dessa maneira, as técnicas de inteligência artificial (IA) desempenham um papel relevante no desenvolvimento de sistemas de diagnóstico, especialmente por meio da aplicação de ferramentas capazes de classificar amostras de motores operando em diferentes condições. Entre essas técnicas, destaca-se o uso de redes neurais convolucionais (CNNs), pertencentes ao subdomínio do aprendizado profundo, que se caracterizam por serem alimentadas com imagens e por identificarem padrões. Este trabalho propõe o uso de trajetórias tensão-corrente (v-i) no diagnóstico de falhas no estator de MITs, acionados tanto por inversores de frequência quanto diretamente pela rede elétrica, empregando CNNs. Essas trajetórias foram geradas por duas abordagens distintas: (i) diretamente dos sinais brutos adquiridos experimentalmente em laboratório, e (ii) por meio da Teoria da Potência Conservativa (CPT), a qual permite decompor a corrente elétrica em parcelas ativa (𝑖𝑎), reativa (𝑖𝑟), de desbalanço (𝑖𝑢) e residual (𝑖𝑣), sendo que cada componente é associada a fenômenos físicos distintos. Dessa forma, as trajetórias v-i dessas parcelas de corrente também terão interpretabilidade para cada um dos ensaios aos quais o MIT, disponível em laboratório, foi submetido. Os ensaios contemplam condições de variação de carga, desequilíbrio de tensão, frequências de operações distintas quando utilizado inversor e diferentes severidades de curto-circuito no enrolamento do estator. As trajetórias geradas foram utilizadas como entrada para duas arquiteturas de redes CNN: uma desenvolvida de forma específica para o estudo e outra baseada na rede pré-treinada DenseNet-169. A partir da aplicação de métricas de avaliação, foi possível identificar as trajetórias com melhor desempenho em cada rede e para cada acionamento. De forma geral, no acionamento por inversor de frequência, a trajetória v–i associada à corrente de desbalanço apresentou acurácia de 100% em ambas as arquiteturas CNN, enquanto a componente não ativa atingiu esse mesmo desempenho com a DenseNet-169. Já na alimentação pela rede elétrica, a trajetória tradicional obteve 99,76% de acurácia com a CNN específica. Esses resultados indicam que a abordagem proposta é interessante para a tarefa de diagnóstico, mostrando que o uso de trajetórias v-i obtidas a partir da decomposição de corrente via CPT contribui para a identificação das falhas.
Abstract: Three-phase induction motors (TIMs) are widely used in industrial environments due to their robustness, reliability, and adaptability under various operating conditions. Nonetheless, despite these characteristics, TIMs are susceptible to failures that can disrupt production lines, lead to undesired operational costs and, in more severe situations, require motor replacement. Among the possible faults, inter-turn short circuits (ITSC) in the stator windings stand out for their complexity and severity, and are particularly challenging to detect at early stages. This difficulty arises because the signals associated with incipient faults are very similar to those of normal operation, in addition to the typically rapid progression of the fault. In this context, the development of robust and efficient diagnostic systems becomes essential, since early detection can prevent progressive damage and preserve the integrity of the motor. Artificial intelligence (AI) techniques play a relevant role in the development of such diagnostic systems, especially through tools capable of classifying motor operating conditions. Among these techniques, convolutional neural networks (CNNs) are particularly noteworthy. Belonging to the deep learning domain, CNNs are primarily trained using images and are known for their pattern recognition capabilities. This study proposes the use of voltage-current (v-i) trajectories to diagnose stator faults in TIMs driven either by frequency inverters or directly from the power grid, employing CNNs. These trajectories were generated using two distinct methodologies: (i) directly from raw signals obtained experimentally in the laboratory, and (ii) through the Conservative Power Theory (CPT), which enables the decomposition of the electrical current into active (𝑖𝑎), reactive (𝑖𝑟), unbalanced (𝑖𝑢) and void (𝑖𝑣) components, each one associated with different physical phenomena in the electrical system. Consequently, the v-i trajectories of these current components also provide physical interpretability for each of the tests to which the laboratory TIM was subjected. The experimental tests covered variations in load, voltage imbalance, different operating frequencies when a frequency inverter was used, and several severities of short circuits in the stator winding. The generated trajectories were used as input to two CNN architectures: a network specifically designed for this study and a pretrained model based on DenseNet-169. Based on the evaluation metrics, it was possible to identify the best-performing trajectories for each network and each supply condition. In general, under inverter-fed operation, the v–i trajectory associated with the unbalance current achieved an accuracy of 100% in both CNN architectures, whereas the non-active component reached the same performance with DenseNet-169. Under grid supply, the traditional trajectory achieved an accuracy of 99.76% with the specific CNN. These results indicate that the proposed approach is well suited to fault diagnosis, showing that the use of v-i trajectories obtained from CPT-based current decomposition effectively contributes to the identification of stator faults in three-phase induction motors
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40088
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