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Título: Um estudo comparativo de robustez de modelos de aprendizado profundo para o diagnóstico de barras quebradas no rotor utilizando séries temporais de corrente do estator com ruído e dados incompletos
Título(s) alternativo(s): A comparative study of the robustness of deep learning models for diagnosing broken rotor bars using noisy and incomplete stator current time series
Autor(es): Marcarini, Giovani Fabris
Orientador(es): Sousa, Kleiton de Morais
Palavras-chave: Localização de falhas (Engenharia)
Motores elétricos de indução
Rotores
Aprendizado profundo
Análise de séries temporais
Fault location (Engineering)
Electric motors, Induction
Rotors
Deep learning (Machine learning)
Time-series analysis
Data do documento: 6-Mar-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: MARCARINI, Giovani Fabris. Um estudo comparativo de robustez de modelos de aprendizado profundo para o diagnóstico de barras quebradas no rotor utilizando séries temporais de corrente do estator com ruído e dados incompletos. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2026.
Resumo: Motores de indução trifásicos são amplamente empregados em ambientes industriais e, ao longo da operação, estão sujeitos a degradações mecânicas e elétricas. Entre os modos de falha relevantes, a quebra de barras no rotor é recorrente e pode provocar perda de desempenho, aumento de vibração e aquecimento, evoluindo para danos mais severos quando a falha não é diagnosticada precocemente. Nesse contexto, a Motor Current Signature Analysis (MCSA), ou análise da assinatura de corrente do motor, destaca-se por ser uma técnica não invasiva e de baixo custo, pois utiliza apenas medições de corrente do estator, dispensando instrumentação adicional e viabilizando o monitoramento contínuo em serviço. Este trabalho investiga, de forma comparativa, a eficácia e a robustez de três arquiteturas de aprendizado profundo para a classificação automática de condições do rotor a partir de séries temporais de corrente do estator: Long Short-Term Memory (LSTM), InceptionTime (IT) e Temporal Signal Transformer (TST). Os modelos foram treinados e validados em uma base experimental pública do IEEE DataPort, composta por cinco níveis de integridade do rotor (0 a 4 barras quebradas) sob múltiplas condições de carga. Com o objetivo de assegurar comparabilidade, adotou-se um protocolo unificado de pré-processamento, segmentação temporal, configuração de treinamento e métricas de avaliação. Os resultados indicam que a LSTM obteve o melhor desempenho global, atingindo acurácia de 98%, 𝐹1 ponderado de 0,978 e Kappa de Cohen de 0,973, superando IT e TST no cenário nominal. Além disso, a análise de robustez sob degradações controladas no conjunto de teste evidencia maior estabilidade da LSTM: na presença de ruído branco gaussiano aditivo (Additive White Gaussian Noise – AWGN), o modelo manteve acurácia acima de 90% mesmo no cenário extremo de 0 dB e, sob dados incompletos, atingiu aproximadamente 88% com 30% de amostras ausentes. O IT apresentou desempenho competitivo e degradação gradual, mantendo estabilidade sob perturbações moderadas, enquanto o TST, embora eficaz em condições limpas e moderadas, mostrou maior sensibilidade em cenários extremos de ruído e perda de amostras. Conclui-se que a MCSA assistida por aprendizado profundo é uma abordagem viável e confiável para o diagnóstico multiclasse da severidade de barras quebradas no rotor (Broken Rotor Bars– BRB) utilizando exclusivamente corrente do estator, com potencial aplicação em manutenção preditiva de baixo custo. Entre as arquiteturas avaliadas, modelos recorrentes mostraram-se particularmente robustos e promissores para implantação em ambientes industriais sujeitos a ruído e falhas de aquisição.
Abstract: Three-phase induction motors are widely deployed in industrial environments and are subject to mechanical and electrical degradation mechanisms. Among the relevant failure modes, broken rotor bars are recurrent and may lead to torque reduction, increased vibration, and thermal stress, potentially evolving into more severe damage when the fault is not diagnosed at an early stage. In this context, Motor Current Signature Analysis (MCSA) stands out as a non-invasive and cost-effective diagnostic strategy, since it relies exclusively on stator current measurements, avoids additional sensor instrumentation, and enables continuous online monitoring. This work presents a comparative investigation of the effectiveness and robustness of three deep learning architectures for automatic rotor-condition classification using only stator current time series: Long Short-Term Memory (LSTM), InceptionTime (IT), and Temporal Signal Transformer (TST). The models were trained and validated on a publicly available experimental dataset from IEEE DataPort comprising five rotor integrity levels (0 to 4 broken bars) under multiple load conditions. To ensure a fair comparison, a unified protocol was adopted for preprocessing, windowbased segmentation, training configuration, and evaluation metrics. The results indicate that LSTM achieved the best overall performance, reaching 98% accuracy, a weighted F1-score of 0.978, and Cohen’s Kappa of 0.973, outperforming IT and TST in the nominal setting. In addition, robustness analyses under controlled degradations in the test set further highlighted the stability of LSTM: in the presence of Additive White Gaussian Noise (AWGN), accuracy remained above 90% even under the extreme 0 dB SNR condition, and under incomplete data, performance remained around 88% with 30% missing samples. IT exhibited competitive results with gradual degradation under moderate perturbations, whereas TST, although effective in clean and moderately degraded scenarios, showed greater sensitivity under extreme noise and missing-data conditions. These findings provide evidence that deep learning-assisted MCSA is a feasible and reliable solution for multiclass diagnosis of broken rotor bars (BRB) severity using stator current alone, with direct potential for low-cost predictive maintenance. Among the evaluated approaches, recurrent architectures emerged as particularly robust and promising for deployment in industrial environments subject to noise and acquisition faults.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40206
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