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Título: Multisensing for fault identification in electrical machines using quadratic distributions
Título(s) alternativo(s): Multi sensoriamento para identificação de falhas em máquinas elétricas utilizando distribuições quadráticas
Autor(es): Vitor, Avyner Lorran de Oliveira
Orientador(es): Goedtel, Alessandro
Palavras-chave: Localização de falhas (Engenharia)
Motores elétricos de indução
Aprendizado do computador
Fault location (Engineering)
Electric motors, Induction
Machine learning
Data do documento: 21-Mar-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: VITOR, Avyner Lorran de Oliveira. Multi sensoriamento para identificação de falhas em máquinas elétricas utilizando distribuições quadráticas. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica - UEL/UTFPR) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025.
Resumo: Monitorar o funcionamento de Motores de Indução (IM) é crucial para evitar paradas inesper- adas em plantas industriais. Como os processos de fabricação são dinâmicos, a estratégia de diagnóstico deve considerar situações não estacionárias, exigindo técnicas de processamento tempo-frequência. As ferramentas mais conhecidas, Short-Time Fourier Transform e Wavelet Transform, muitas vezes não são suficientes para diagnósticos complexos. Em contraste, a Distribuição Wigner-Ville (WVD) oferece alta resolução temporal e espectral, mas os termos cruzados (cross-terms) gerados durante seu cálculo podem inviabilizar sua aplicação. Por isso, a WVD é evitada em muitos estudos, apesar de suas vantagens para transientes. Versões modificadas da WVD, conhecidas como Distribuições Bilineares da Classe Cohen (CCBD), foram desenvolvidas para mitigar os cross-terms, mas são pouco exploradas no diagnóstico de máquinas elétricas. Para solucionar esse problema, este trabalho investiga o uso de CCBDs no processamento de sinais de vibração, áudio e corrente para identificar falhas em rolamentos, estator e rotor, conferindo ao estudo um caráter multissensorial. Para garantir robustez, os dados coletados incluem condições industriais, como: 1) alimentação por linha e inversor, 2) desequilíbrios de tensão, e 3) oscilações de carga. A metodologia aplicada mostrou-se eficaz na detecção de falhas no estator em condições ideais, utilizando o quinto harmônico da corrente de linha. A identificação de barras quebradas no rotor atingiu mais de 99% de acurácia com Redes Neurais Convolucionais, Zhao-Atlas-Marks, e sinais de corrente. Para falhas em rolamentos, métodos de aprendizado de máquina superaram 99% de acurácia, com a análise de vibração apresentando melhor desempenho, enquanto corrente e áudio forneceram resultados satisfatórios. Os experimentos demonstram a eficácia da abordagem proposta, com desempenho equivalente ou superior ao encontrado em trabalhos correlatos. Assim, o estudo propõe uma metodologia alternativa baseada em CCBDs para monitoramento e diagnóstico de falhas em motores de indução trifásicos.
Abstract: Monitoring the performance of Induction Motors (IM) is crucial to prevent unexpected downtime in the industry. Since manufacturing processes are typically dynamic, the diagnostic strategy should consider non-stationary situations, which require techniques that provide time-frequency analyses. However, the most well-known tools for this purpose are the Short-Time Fourier Transform and the Wavelet Transform, which are not sufficient to address many diagnostic problems. In contrast, the Wigner-Ville Distribution (WVD) stands out for its resolution in both time and frequency. However, interferences known as cross-terms are intrinsically generated during calculation and can hinder its application. For this reason, using the WVD is often avoided in studies despite its characteristics for handling transients. Modified versions of the WVD, also known as quadratic distributions or Cohen class Bilinear Distributions (CCBD), were created to suppress cross-terms, but they are little explored within the context of electric machine diagnostic research. To address this problem, the present work investigates and compares various CCBDs applied to processing vibration, audio, and current signals for bearing, stator and rotor fault identification in IM. To ensure the robustness of the methodology, the collected data set comprises circumstances that emulate some machine operating conditions in the industrial environment, including 1) line and inverter power supply, 2) voltage unbalances in the grid, and 3) load oscillations. The application of machine learning techniques demonstrates the effectiveness of the proposed approach with performance equivalent to or even superior to those found in the literature, even under adverse motor operating conditions. For stator fault, the study found that the applied methodology is effective under ideal conditions using the fifth harmonic of the line current. Broken rotor bar detection proved robust across various conditions, with Convolutional Neural Networks and Zhao-Atlas-Marks achieving over 99% accuracy. Several machine learning methods often exceeded 99% for bearing failures, with vibration performing best, while current and audio showed satisfactory results. Thus, the study presents an alternative methodology using CCBDs for monitoring and diagnosing faults in three-phase induction motors.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37270
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