Possibility of Fault Detection in Sensorless Electric Drives

Possibility of Fault Detection in Sensorless Electric Drives

dr hab. inż. Jarosław GUZIŃSKI, dr inż. Piotr KOŁODZIEJEK, mgr inż. Patryk STRANKOWSKI

Abstract

The work presents a fault detection method for an induction motor drive system with inverter output filter. This approach make use of a load torque state observer, which complete structure is presented along with the used control structure. Moreover, the demonstrated drive system operates without rotor speed measurement in conjunction with the multiscalar control. The verification of the demonstrated idea was performed on an experimental test setup by introducing drive faults, e.g.: misalignment of the machine and unbalance of the drive shaft. Finally,an FFT analysis of the presented results confirmed the beneficial usability of the developed diagnostic tool.

Streszczenie

W pracy przedstawiono metodę diagnostyczną wykrywania uszkodzeń w napędzie elektrycznym silnika indukcyjnego z filtrem sinusoidalnym. Wyjaśniono ideę metody wykorzystującej obserwator stanu momentu obciążenia. Pokazano kompletne zależności obserwatora stanu oraz strukturę układu sterowania. Przedstawiony układ napędowy pracuje bez pomiaru prędkości obrotowej wykorzystując zasadę sterowania multiskalarnego. Weryfikację przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym wprowadzając uszkodzenia takie jak: nieosiowe ustawienie maszyn i niewyważenie wału. Zaprezentowane wyniki analizy FFT potwierdziły przydatność opracowanego narzędzia diagnostycznego.

Keywords

electric drive, diagnostics, torque observer, sensorless control, inverter output filter

Słowa kluczowe

napęd elektryczny, diagnostyka, obserwator momentu, sterowanie bezczujnikowe, filtr sinusoidalny

Rys. / Fig.

Bibliografia / Bilbiography

[1] Abu-Rub H., Iqbal A., Guzinski J.: "High Performance Control of AC Drives with Matlab / Simulink Models". John Wiley & Sons (2012).
[2] Krzemiński Z.: Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001.
[3] Guziński J., Abu-Rub H., Strankowski P.: "Variable Speed AC Drives with Inverter Output Filters," Wiley, 2015.
[4] Guziński J.: "Układy napędowe z silnikami indukcyjnymi i filtrami wyjściowymi falowników napięcia. Zagadnienia wybrane". Seria Monografie nr 115, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011.
[5] Orłowska–Kowalska T.: Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003.
[6] Tavner P.J.: Review of condition monitoring of rotating electrical machines, IET Electric Power Applications, Vol. 2, No. 4, July 2008.
[7] Kowalski C.T.: Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005.
[8] Kowalski C.T.: Diagnostyka układów napędowych z silnikiem indukcyjnym z zastosowaniem metod sztucznej inteligencji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
[9] Morel J.: Drgania maszyn i diagnostyka ich stanu technicznego, Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej, Warszawa 1995.
[10] Karkosiński D.: Zjawiska wibroakustyczne w asynchronicznych silnikach klatkowych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2006.
[11] Kwaśnicki S.: Hałas magnetyczny silników indukcyjnych trójfazowych klatkowych, BOBRME Komel, Katowice 1998.
[12] Trzynadlowski A., Ghassemzadeh M., Legowski S.F.: Diagnostics of mechanical abnormalities in induction motors using instantaneous electric power, IEEE Transactions on Energy Conver-sion, Vol. 14, No. 4, December 1999.
[13] Penman J., Sedding H.G., Lloyd B.A., Fink W.T.: Detection and location of interturn shot cir-cuits in the stator windings of operating motors, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 9, No. 4, December 1994.
[14] Prabhakar S., Sekhar A.S., Mohanty A.R.: Crack versus coupling misalignment in a transient rotor system, Journal of Sound and Vibration, No. 256, 2002.
[15] Dybkowski M., Klimkowski K., Orlowska-Kowalska T. „Speed Sensor Fault Tolerant Direct Torque Control of Induction Motor Drive, 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, Antalya 2014.
[16] Zhang J. X., Yang G.-H. :” Prescribed Performance Fault-Tolerant Control of Uncertain Nonlinear Systems With Unknown Control Directions”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 62, no. 12, 2017.
[17] Swędrowski L.: Nowa metoda diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego oparta na pomiarze i analizie widmowej prądu zasilającego, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2005.
[18] Guziński J., Kołodziejek P., Krzemiński Z., Bogalecka E., Strankowski P.: "Badanie niezawodności działania napędów elektrycznych", Rozdział w monografii: Bezpieczeństwo, pomiary i niezawodność w elektroenergetyce, seria Automatyka, Elektryka, Zakłócenia, Gdańsk, INFOTECH, 2018, s.54-67.
[19] Abu-Rub H., Guzinski J., Krzeminski Z., Toliyat H. A.: "Speed observer system for advanced sensorless control of induction motor". IEEE Transactions on Energy Conversion. Volume 18, Issue 2, June 2003, pp. 219 - 224.
[20] Abu-Rub H., Guzinski J., Toliyat H. A.: "An advanced low-cost sensorless induction motor drive". IEEE Transactions on Industry Applications. Volume 39, Issue 6, November-December 2003, pp. 1757- 1764.
[21] Krzemiński Z.: Nonlinear control of induction motor, 10th World Congress on Automatic Con-trol, IFAC’87, 27–31 July 1987, Munich, Germany.
[22] Koczara W., Seliga R.: High quality sinusoidal voltage inverter for variable speed ac drive sys-tems, The Third International Power Electronics and Motion Control Conference, IEEE IPEMC 2000. Vol. 3, 15–18 August 2000, Beijing, China.
[25] Strankowski P., Guziński J.: "Bezczujnikowa diagnostyka uszkodzeń mechanicznych w przekształtnikowym napędzie elektrycznym,"Miesięcznik techniczno - informacyjny Napędy i Sterowanie. Nr 5 - Maj 2015.
[26] Guziński J., Strankowski P.: "Detekcja uszkodzeń w bezczujnikowym napędzie elektrycznym z wykorzystaniem obserwatora momentu obciążenia," Maszyny Elektryczne : zeszyty problemowe, Nr 1(105), 2015. XXIV Seminarium Naukowo-Techniczne "Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych", KOMEL, 27-29.06.2015, Rytro.
[27] Kadowaki S., Ohishi S., Hata T., Iida N., Takagi M., Sano T., Yasukawa S.: Antislip readhesion control based on speed–sensorless vector control and disturbance observer for electric commuter train – series 205–5000 of the East Japan Railway Company, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 24, No. 4, August 2007.
[28] Ohishi K., Nakano K., Miyashita I., Yasukawa S.: Anti–slip control of electric motor coach based on disturbance observer, 5th International Workshop on Advanced Motion Control – AMC'98, 29 czerwca – 1 lipca 1998, Coimbra, Portugal.
[29] Gopinath B.: On the control of linear multiple input–output systems, American Telephone and Telegraph Company, The Bell Technical Journal, Vo1. 50, No. 3, 1971, USA.
[30] Guziński J., Diguet M., Krzemiński Z., Lewicki A., Abu–Rub H.: Application of speed and load torque observers in high speed train, 13th International Power Electronics and Motion Confer-ence EPE–PEMC 2008. 1–3 September 2008, Poznań.
[31] Guziński J., Krzemiński Z., Lewicki A.: Diagnostyka układu przeniesienia momentu trakcyjnego pociągu szybkiego z wykorzystaniem obserwatorów stanu, 9 Międzynarodowa Konferencja Naukowa Nowoczesna Trakcja Elektryczna, MET'2009, 24–26 września 2009, Gdańsk–Krynica Morska.
[32] Guziński, J., Abu–Rub, H.; Diguet, M.; Krzeminski, Z., Lewicki, A.: Speed and load torque ob-server application in high–speed train electric drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 57, No. 2, February 2010.
[33] Krzemiński Z.: Obserwator prędkości silnika asynchronicznego, IV Krajowa Konferencja Na-ukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE’99, 17–19 listopada 1999, Łódź–Arturówek.
[34] Krzemiński Z: Sensorless control of the induction motor based on new observer, International Conference on Power Electronics, Intelligent Motions and Power Quality PCIM’00, 6–8 June 2000, Nuremberg, Germany.
[35] Krzemiński Z.: Cyfrowe sterowanie maszynami asynchronicznymi, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2001.
[36] Krzemiński Z.: Estimation of rotor speed for nonlinear control of the induction motor, 10th In-ternational Power Electronics and Motion Control Conference, EPE–PEMC 2002, 9–11 Sep-tember 2002, Dubrovnik, Croatia.
[37] Krzemiński Z., Witkowski S.: Model filtru wyjściowego falownika napięcia w symulacji kom-puterowej, Modelowanie i Symulacja ‘2002, 24–28 czerwca 2002, Kościelisko.
[38] Salomaki J., Hikkanen M., Luomi J.: Sensorless control of induction motor drives equipped with inverter output filter, IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, IEMDC’05, 15–18 May 2005., San Antonio, USA.
[39] Salomaki J., Luomi J.: Vector control of an induction motor fed by a PWM inverter with output LC filter, 4th Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, NORPIE’04, 14–16 June 2004, Trondheim, Norway.
[40] Salomaki J., Luomi J.: Vector control of an induction motor fed by a PWM inverter with output LC filter, EPE Journal, Vol. 16, No. 1, February 2006.
[41] Adamowicz M., Guzinski J.: Control of sensorless electric drive with inverter output filter, 4th International Symposium on Automatic Control AUTSYM 2005. 22–23 September 2005. Wismar, Germany.