Speed sensorless AC drive with Inverter LC filter and fault detection usinglLoad torque signal

• Autorzy: Guziński J. , Abu-Rub H. , Strankowski P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2017.02.63

Warianty tytułu

PL

Układ napędowy z silnikiem indukcyjnym, umożliwiający równoczesną detekcję uszkodzeń bez stosowania dodatkowych czujników

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The industrial development in recent years has seen a major increase in the use of induction motors, whereby the cost has to be as low as possible and the lifetime as long as possible. To follow up this desire, investigations in this area have become very intense. For that reason, this paper presents a solution for driving an induction motor and simultaneous fault detection with no need for additional sensors. In order to achieve this target, an observer system is implemented and a torque estimation procedure is used for torque detection. An LC filter was installed at the inverter output to provide better THD of the current. The validation of the drive operation was achieved through simulation and experiments. To investigate possible faults, an artificial unbalance was introduced to the test bench, whereby the experiment was validated by a comparison of physical vibrations and estimated torque.

PL

Wraz z rozwojem przemysłu nieustannie rośnie popularność silników indukcyjnych z uwagi na niskie koszty i dużą niezawodność. Aby spełnić takie wymagania przemysłu, prowadzi się intensywne badania w tej dziedzinie. Tej tendencji podporządkowuję się niniejszy artykuł, w którym pokazano rozwiązanie układu napędowego z silnikiem indukcyjnym, umożliwiające równoczesną detekcję uszkodzeń bez stosowania dodatkowych czujników, poza czujnikami standardowo stosowanymi w falownikach. Aby zrealizować taki układ napędowy z diagnostyką w czasie rzeczywistym zastosowano rozwiązanie z obserwatorem stanu do obliczania i analizy momentu elektromagnetycznego silnika. Zaproponowane rozwiązanie zastosowano do układu napędowego z filtrem sinusoidalnym, którego celem jest poprawa współczynnika THD napięcia zasilania silnika. Ponieważ filtr sinusoidalny komplikuje strukturę obserwatora stanu zastosowano rozszerzoną strukturę estymatora momentu silnika. Aby zbadać zaproponowane rozwiązanie wprowadzono sztuczne uszkodzenie polegające na niewyważeniu wirnika. Wyniki działania estymatora momentu porównano z wynikami pomiarów drgań przeprowadzonych przy użyciu akcelerometru.

Słowa kluczowe

EN

sensorless drives; induction motor; LC filter; fault detection; load torque; voltage converter

PL

napęd bezczujnikowy; silnik indukcyjny; filtr sinusoidalny; detekcja uszkodzeń

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 93, nr 2
• Strony: 289--297
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Guziński J.

• Gdańsk University of Technology, Department of Electrical and Control Engineering , ul. Narutowicza 11/12,80-233 Gdańsk

autor

Abu-Rub H.

• Faculty of Electrical and Computer Engineering Texas A&M Engineering Building, Education City PO Box 23874 Doha Qatar

autor

Strankowski P.

• Gdańsk University of Technology, Department of Electrical and Control Engineering , ul. Narutowicza 11/12,80-233 Gdańsk

Bibliografia

• [1] M. Asadi, A. Jalilian Using an active resistive damper in hybrid active power filter to avoid resonance over-voltage, Electrical Engineering 95 (2013) pp. 301–313
• [2] Guzinski J., Abu-Rub H., Toliyat H.A.(2010) Speed sensorless ac drive with inverter output filter and fault detection using load torque signal, IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE 2010, 4-7 July 2010, Bari, Italy, pp. 3113 - 3118
• [3] Stec P., Guzinski J., Strankowski P., Iqbal A. Abduallah Ahmad Anad, Abu-Rub H.: Five-Phase Induction Motor Drive with Sine-Wave Filter, IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE 2014, Istanbul, Turkey, pp. 2111 – 2116
• [4] Arkadiusz Lewicki, Jarosław Guziński, Patryk Strankowski „Metoda wektorowej modulacji szerokości impulsów pięciofazowego falownika napięcia”, Przegląd Elektrotechniczny, 05/ 2016
• [5] Marek Adamowicz, Patryk Strankowski, Jarosław Guziński, Zbigniew Krzemińsk „Sterowanie multiskalarne pięciofazową maszyną indukcyjną”, Przegląd Elektrotechniczny, 05/2016
• [6] Arkadiusz Lewicki, Jarosław Guziński, Patryk Strankowski „Wektorowa modulacja szerokości impulsów w pięciofazowych falownikach napięcia”, XII Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2015
• [7] Marek Adamowicz, Patryk Strankowski, Jarosław Guziński, Zbigniew Krzemiński „Sterowanie multiskalarne pięciofazowym silnikiem indukcyjnym” XII Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2015
• [8] Levi E., Multiphase Electric Machines for Variable-Speed Applications, IEEE Trans. Ind. Electron., 55 (2008), n.5, 1893-1909
• [9] J. Guzinski Sensorless AC drive control with LC filter, in Proc. 13th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2009. 8-10 September. Barcelona, Spain pp. 1 – 10
• [10] Z. Krzemiński, J. Guziński Output filter for voltage source inverter supplying induction motor, Int. Conf. on Power Electronics, Intelligent Motions and Power Quality, PCIM 2005, Nuremberg, Germany
• [11] J.Guziński, H. Abu-Rub, P.Strankowski Variable AC Drives with Inverter Output Filter (2015) John Wiley & Sons
• [12] R. Seliga, W. Koczara Instantaneous current and voltage control strategy in low-pass filter based sine-wave voltage dc/ac converter topology for adjustable speed PWM drive system, IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE (2002),L'Aquila, Italy, pp. 813 - 817
• [13] J. Guzinski, H. Abu-Rub Asynchronous motor nonlinear control with inverter output LC filter, 2nd Mediterranean Conference on Intelligent Systems and Automation (2009), Zarzis, Tunisia
• [14] J. Guzinski, H. Abu-Rub, H.A. Toliyat Speed sensorless ac drive with inverter output filter and fault detection using load torque signal, IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE 2010, 4-7 JulyBari, Italy, pp. 3113 - 3118
• [15] H. Abu-Rub, A. Iqbal, J. Guzinski High Performance Control of AC Drives with Matlab / Simulink Models, (2012) John Wiley & Sons,.
• [16] J. Salomaki, M. Hinkkanen, J. Luomi Sensorless control of induction motor drives equipped with inverter output filter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, (2006) no. 4,, pp. 1188-1197.
• [17] T. Tarczewski, L.M. Grzesiak PMSM fed by 3-level NPC sinusoidal inverter with discrete state feedback controller, 15th European Conference on Power Electronics and Applications EPE 2013, , Lille, France, pp. 1-9.
• [18] V. Verma, C. Chakraborty, S. Maiti, Y. Hori Speed Sensorless Vector Controlled Induction Motor Drive Using Single Current Sensor, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 28, (2013) no. 4, pp. 938 - 950
• [19] G.D. Marques, D.M SousaNew Sensorless Rotor Position Estimator of a DFIG Based on Torque Calculations—Stability Study, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 27 (2012), no. 1, pp. 196 - 203
• [20] Matteo Felice Iacchetti,M. S. Carmeli ,Francesco Castelli Dezza R. Perini A speed sensorless control based on a MRAS applied to a double fed induction machine drive Electrical Engineering (2010) 95:301–313
• [21] M. Pineda-Sanchez, M. Riera-Guasp J.A Antonino-Daviu, J. Roger-Folch, J. Perez-Cruz, R. Puche-Panadero, Diagnosis of Induction Motor Faults in the Fractional Fourier Domain, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 8 (2010), pp. 2065 - 2075
• [22] J.H. Jung, J.J. Lee, B.-H. Kwon Online Diagnosis of Induction Motors Using MCSA, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 6 (2006), 1842 - 1852
• [23] A. Bouzida, O. Touhami, R. Ibtiouen, A. Belouchrani, M. Fadel, A. Rezzoug Fault Diagnosis in Industrial Induction Machines Through Discrete Wavelet Transform, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 9, (2011) pp. 4385 - 4395
• [24] E.C.C. Lau, H.W. Ngan Detection of Motor Bearing Outer Raceway Defect by Wavelet Packet Transformed Motor Current Signature Analysis, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 59, no. 10 (2010), pp. 2683 - 2690
• [25] K.N. Gyftakis, D.V. Spyropoulos, J.C. Kappatou, E.D. Mitronikas A Novel Approach for Broken Bar Fault Diagnosis in Induction Motors Through Torque Monitoring, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 28, no. 2 (2013), pp. 267 - 277
• [26] P.F. Albrecht, J.C. Appiarius, R.M. McCoy, E.L. Owen, D.K. Sharma Assessment of the Reliability of Motors in Utility Applications, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. EC-2, no. 3 (1987), pp. 39 - 46
• [27] R.N. Bell, D.W. McWilliams, P. O'Donnell, C. Singh, S.J. Wells, (Motor Reliability Working Group) Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial and Commercial Installations, Part I IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-21, no. 4, (1985) pp. 853-864.
• [28] P. Henrıquez, J.B. Alonso, M.A. Ferrer, C.M. Travieso Review of Automatic Fault Diagnosis System Using Audio and Vibration Signals, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, vol. 44, no. 5, (2014) pp. 642 - 652
• [29] S.A. Mortazavizadeh, S.M.G. Mousavi A Review on Condition Monitoring and Diagnostic Techniques of Rotating Electrical Machines, Physical Science International Journal (2013)
• [30] J. Guzinski, M. Diguet, Z. Krzemiński, A. Lewicki, H. Abu- Rub, Application of speed and load torque observers in high-speed train drive for diagnostic purposes, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no 1 (2009)pp. 248-256.
• [31] A. Balogun, O. Ojo, F. Okafor, S. Karugaba Determination of Steady-State and Dynamic Control Laws of Doubly Fed Induction Generator Using Natural and Power Variables IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. 49, NO. 3 (2013), pp. 1343 - 1357
• [32] Z. Krzeminski Nonlinear control of induction motor, in Proc. 10th World Congress on Automatic Control, IFAC (1987), Munich, Germany
• [33] Z. Krzemiński Observer of induction motor speed based on exact disturbance model, in Proc. Int. Conf. EPE-PEMC Poznan, Poland. (2008)
• [34] S. Mukherjee, G. Poddar (2007) Fast Control of Filter for Sensorless Vector Control SQIM Drive With Sinusoidal Motor Voltage, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 5 (2007), pp. 2435-2442
• [35] J. Guzinski, H. Abu-Rub, A. Iqbal, Sk. Moin Ahmed Shaft misalignment detection using ANFIS for speed sensorless ac drive with inverter output filter, IEEE International Symposium on Industrial Electronics ISIE 2011, Gdansk, Poland, pp. 2138 - 2143
• [36] Sh. Hedayati Kia, H. Henao, G.-A. Capolino Torsional vibration monitoring using induction machine electromagnetic torque estimation, IECON (2008), pp. 3120 - 3125
• [37] K. Ohishi, K. Nakano, I. Miyashita, S. Yasukawa Anti-slip control of electric motor coach based on disturbance observer, AMC'98 – Coimbra (1998),pp. 580 - 585
• [38] Luigi Beneduce, Giovanni Caruso, Diego Iannuzzi, Franco Maceri , Enrico Pagano, Luigi Piegari Analysis of a structural failure mode arising in cage rotors of induction machines Electrical Engineering 93: (2011) pp.179–191
• [39] Patryk Strankowski, Jaroslaw Guzinski „Detekcja uszkodzeń w bezczujnikowym napędzie elektrycznym z wykorzystaniem obserwatora momentu obciążenia”, Maszyny Elektryczne – Zeszyty problemowe Nr. 107 Maj 2015
• [40] Jaroslaw Guzinski, Patryk Strankowski „Detekcja uszkodzeń bezczujnikowego napędu elektrycznego z wykorzystaniem obserwatora momentu obciążenia”, Napędy i sterowanie 05/2015
• [41] P.J. TavnerReview of condition monitoring of rotating electrical machines, IET Electronics Power Applications, vol. 2, no 4 (2008), pp. 215-247
• [42] A.C.J. Luo Past, current and future on nonlinear dynamics and noise origins of non-smooth gear transmission dynamic systems, Proc. IEEE Intelligent Vehicles SymposiumLas Vegas, USA. (2005)
• [43] S. Prabhakar, A.S. Sekhar, A.R. Mohanty Crack versus coupling misalignment in a transient rotor system, Journal of Sound and Vibration, no. 256 (2002), pp. 773-786
• [44] K. Szabat, T. Orlowska-Kowalska Performance Improvement of Industrial Drives with Mechanical Elasticity Using Nonlinear Adaptive Kalman Filter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 3 (2008), pp. 1075-1084.
• [45] A. Dębowski, D. Lewandowski Application of the induction motor torque - observer to the control of turbo machines, EPE-PEMC (2008), Poznan, Poland, pp. 2320-2324
• [46] B. Trajin, J. Regnier, J. Faucher Detection of bearing faults in asynchronous motors using Luenberger speed observer, 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2008, 10-13 Nov. 2008, pp. 3073-3078
• [47] A. Hace, K. Jezernik, A. Šabanovic SMC with disturbance observer for a linear belt drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 6 (2007), pp. 3402-3412
• [48] B. Gopinath On the Control of Linear Multiple Input- Output Systems, The Bell Technical Journal, vo1. 50, no. 3 (1971), pp. 1063-1081
• [49] Krzemiński Z.: Nonlinear control of induction motor, 10th World Congress on Automatic Control, IFAC’87, 27–31 July 1987, Munich, Germany.
• [50] Bogdan M. Wilamowski, J. Dawid Irwin Boca Raton The Industrial Electronics Handbook: Power Electronics and Motor Drives. CRC Press Taylor & Francis Group, 2011.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).