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Tipo do documento: Dissertação
Título: Estimativa de torque de carga por meio de imagens geradas a partir do fluxo magnético no entreferro de um motor de indução trifásico
Título(s) alternativo(s): Load torque estimation through images generated from magnetic flux in the air gap of a three-phase induction motor
Autor: Fontenele, Jhone 
Primeiro orientador: Dias, Cleber Gustavo
Primeiro membro da banca: Dias, Cleber Gustavo
Segundo membro da banca: Flauzino, Rogério Andrade
Terceiro membro da banca: Pereira, Fabio Henrique
Quarto membro da banca: Alves, Wonder Alexandre Luz
Resumo: O motor de indução é um recurso importante para processos industriais fazendo parte da transformação tecnológica na sociedade desde a sua criação, sendo objeto de estudo e aperfeiçoamento por varias décadas. Entre as variáveis de interesse voltadas para o monitoramento das suas condições operacionais, pode-se destacar o torque aplicado ao eixo do motor, pois tal informação tem um papel relevante em diferentes aplicações, em especial para a avaliação do seu desempenho e falhas operacionais. A medição direta do torque de carga necessita, na maioria dos casos, do acoplamento mecânico de um torquímetro entre o eixo da máquina e a carga, o que inviabiliza a sua instalação pela dificuldade de acesso ao equipamento, em particular para motores de grande porte, por exemplo. Com o objetivo de estimar o torque de carga de um motor de indução trifásico por meio de sinal coletado de uma sonda de efeito hall instalada no entreferro do motor, o presente trabalho foi conduzido empregando uma técnica de preprocessamento de sinal, a partir da discretização de 100 mil amostras obtidas durante o intervalo de 10 segundos para cada experimento, com frequência amostral de 10kHz. Para a estimativa do torque em intervalos de tempo inferiores a 10s, foi proposta a fragmentação do sinal mensurado em janelas menores, no caso em 100ms, 200ms e 400ms, a fim de realizar a geração de imagens em 3 tamanhos diferentes a partir da orientação do valores amostrais quantizados em 255 tons de cinza, servindo tais imagens como entradas para uma rede neural convolucional do tipo inception. Foram avaliados diferentes condições e valores de hiperparâmetros a fim de se obter resultados de 54 combinações. A validação do modelo foi realizado de acordo com a análise frente aos diferentes níveis de torque de carga estimados em comparação ao torque de carga medido por meio de uma célula de carga, após o treinamento do modelo de rede neural convolucional. A abordagem proposta foi capaz de estimar o torque de carga com a utilização de 3 otimizadores em aproximadamente toda a faixa operacional de carga do motor, ou seja, em um intervalo de 1.5% e 93.9% da carga nominal, em que foi possível obter 4 configurações de modelos que resultaram em erro médio absoluto percentual inferior a 3.5%, sendo 2 modelos para imagem de 40x50 pixels com MAPE de 3.7% e 3%, 1 modelo para imagem de 40x25 pixels com MAPE de 3.5% e 1 modelo para imagem de 50x80 pixels com MAPE de 3.3%. Esta abordagem foi experimentalmente validada em um motor de indução trifásico de 7.5kW.
Abstract: The induction motor is an important asset in industrial processes, being part of the technological transformation in society since its inception. It has been the subject of study and improvement for several decades. Among the variables of interest aimed at monitoring its operational conditions, the torque applied to the motor shaft stands out. Such information plays a significant role in various applications, especially for assessing its performance and operational failures. Direct measurement of load torque usually requires the mechanical coupling of a torque meter between the machine’s shaft and the load, which makes installation difficult due to limited equipment access, particularly for large motors. For instance, this poses a challenge. To estimate the load torque of a three-phase induction motor using signals collected from a Hall effect probe installed in the motor air gap, this study employed a signal preprocessing technique. It discretized 100,000 samples obtained over a 10-second interval for each experiment, with a sampling frequency of 10kHz. For estimating torque in time intervals shorter than 10s, the signal was fragmented into smaller windows of 100ms, 200ms, and 400ms. This process generated images in three different sizes based on the orientation of quantized sample values in 255 shades of gray. These images served as inputs for an inception-type convolutional neural network. The study evaluated different conditions and hyperparameter values, resulting in 54 combinations. Model validation was conducted by analyzing the estimated load torque against measured load torque using a load cell after training the convolutional neural network model. The proposed approach successfully estimated load torque using three optimizers across almost the entire motor load operational range, spanning from 1.5% to 93.9% of the rated load. Four model configurations achieved a mean absolute percentage error MAPE of less than 3.5%. Specifically, two models for a 40x50 pixel image achieved MAPEs of 3.7% and 3%, one model for a 40x25 pixel image achieved a MAPE of 3.5%, and one model for a 50x80 pixel image achieved a MAPE of 3.3%. This approach was experimentally validated on a 7.5kW three-phase induction motor.
Palavras-chave: estimativa de torque
preprocessamento de imagem
processamento de sinal
redes neurais convolucionais
motores de indução trifásicos
máquinas rotativas
inception V3
torque estimate
image preprocessing
signal processing
convolutional neural networks
three-phase induction motors
rotational machines
Área(s) do CNPq: CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAO
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Nove de Julho
Sigla da instituição: UNINOVE
Departamento: Informática
Programa: Programa de Pós-Graduação em Informática e Gestão do Conhecimento
Citação: Fontenele, Jhone. Estimativa de torque de carga por meio de imagens geradas a partir do fluxo magnético no entreferro de um motor de indução trifásico. 2024. 103 f. Dissertação( Programa de Pós-Graduação em Informática e Gestão do Conhecimento) - Universidade Nove de Julho, São Paulo.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://bibliotecatede.uninove.br/handle/tede/3513
Data de defesa: 29-Jan-2024
Aparece nas coleções:Programa de Pós-Graduação em Informática e Gestão do Conhecimento

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