DESENVOLVIMENTO EM PLATAFORMA FPGA DE SISTEMA DE DETECÇÃO PRECOCE DE FALHAS EM ISOLAMENTO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

Autores

  • Bruno Renó Gama Universidade Federal de Itajubá
  • Wilson Cesar Sant’Ana Instituto Gnarus
  • Luiz Eduardo Borges da Silva Universidade Federal de Itajubá
  • Camila Paes Salomon Universidade Federal de Itajubá
  • Carlos Eduardo Teixeira Universidade Federal de Itajubá
  • Mateus Mendes Campos Universidade Federal de Itajubá
  • Germano Lambert Torres Instituto Gnarus
  • Erik Leandro Bonaldi Instituto Gnarus
  • Rafael Bartholomeu Bernardo Carvalho EDF Norte Fluminense

Resumo

Este artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado, composto por hardware e software, utilizando uma plataforma FPGA, para a detecção precoce de danos no isolamento de máquinas elétricas. É utilizada a técnica de análise por resposta em frequência na previsão das falhas. O sistema desenvolvido é responsável por gerar e injetar sinais de uma determinada faixa de frequência na máquina sob teste. Para cada frequência gerada, é medido o valor de impedância da máquina. Ao final do processo, é obtido o espectro de impedâncias da máquina. Os espectros obtidos são comparados com um espectro de referência, chamado de baseline. Variações entre os espectros obtidos e o baseline podem indicar diversos tipos de falhas no isolamento da máquina. É utilizada uma técnica estatística para uma análise objetiva das variações entre os espectros obtidos e o baseline. O sistema foi desenvolvido utilizando uma plataforma ainda nova no mercado, denominada STEMLab, da empresa Red Pitaya. Ela possui um dispositivo SoC Zynq-7000 acoplado à placa, esse dispositivo integra um FPGA e um processador ARM. O hardware embarcado executa um servidor TCP/IP. Este servidor atende requisições de máquinas remotas na rede. Foi implementado um software de análise, para os clientes remotos, utilizando C#. Resultados experimentais são apresentados em uma máquina síncrona com taps no enrolamento do estator.

Biografia do Autor

Bruno Renó Gama, Universidade Federal de Itajubá

Possui graduação em Engenharia de Controle e Automação pela Universidade Federal de Itajubá (2017). Foi bolsista do Programa Ciência sem Fronteiras, realizando um intercâmbio de 12 meses em Portugal, onde estudou na Universidade de Évora. Atualmente é mestrando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá. Tem como área de concentração Automação e Sistemas Elétricos Industriais, atuando principalmente no desenvolvimento de sistemas eletrônicos para manutenção preditiva de máquinas elétricas.

Wilson Cesar Sant’Ana, Instituto Gnarus

Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá (2001), mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (2004 e 2016, respectivamente). Atualmente é pesquisador adjunto no Instituto Gnarus. Tem experiência com desenvolvimento de hardware e software para microcontroladores, DSPs e FPGAs. Possui interesses profissionais nas áreas de manutenção preditiva de máquinas elétricas, análise por resposta em frequência, eletrônica de potência e sistemas de controle. É membro do IEEE e da SOBRAEP.

Luiz Eduardo Borges da Silva, Universidade Federal de Itajubá

Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (1977), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (1982) e doutorado em Engenharia Elétrica - Ecole Polytechnique de Montreal (1988). Atualmente é professor titular da Universidade Federal de Itajubá. De 1989 a 1993 Chefe do Departamento de Eletrônica. Desde 1996 Coordenador do Grupo de Eletrônica e Controle Industrial da UNIFEI. Desde 2009 Decano do Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação. De 1998 a 1999 Professor visitante na Universidade do Tennessee, em Knoxville. Membro de diversas comissões governamentais e agências reguladoras, tais como: Ministério da Educação, Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação e Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Membro da Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria (FUPAI) desde 1978 e Fundação de Ensino, Pesquisa e Extensão de Itajubá (FAPEPE) desde 2005. Tem ministrado cursos e tutoriais para mais de 700 engenheiros e técnicos de mais de 100 indústrias brasileiras, ensinando eletrônica de potência, controle inteligente e clássico, DSP e manutenção preditiva pela análise da assinatura elétrica. Orientou mais de 75 teses de mestrado e doutorado e publicou mais de 200 artigos em revistas e conferências nas áreas afins. É editor/autor ou co-autor de mais de 20 capítulos de livros e mais de 30 revistas em sistemas inteligentes, eletrônica de potência, equipamentos de energia e manutenção preditiva. É pioneiros da aplicação do controle inteligente em conversores de energia. Desde meados da década de 80, contribuiu com este campo propondo algoritmos inteligentes, híbridos e adaptáveis e estruturas para controle e conversores de potência e filtros ativos de potência. É também Senior Member do IEEE.

Camila Paes Salomon, Universidade Federal de Itajubá

Possui graduação (2011), mestrado (2014) e doutorado (2017) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Atualmente é Professora da Universidade Federal de Itajubá. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Sistemas Elétricos de Potência. Atua principalmente nos seguintes temas: monitoramento da condição de máquinas elétricas, manutenção preditiva, análise da assinatura elétrica, estimação da eficiência de motores de indução e aplicações de inteligência artificial para sistemas de potência.

Carlos Eduardo Teixeira, Universidade Federal de Itajubá

Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) em 2013. Foi bolsista do Programa de Educação Tutorial (PET) da Engenharia Elétrica e bolsista BRAFITEC, estudando na "École Nationale d'Ingénieurs du Val de Loire" (ENIVL), a opção "Systèmes Automatisés, Informatique Industrielle et Instrumentation". Em 2015, obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá. Atualmente é aluno de doutorado também pela Universidade Federal de Itajubá, pesquisador do Instituto Gnarus, onde tem desenvolvido trabalhos na área de técnicas ultrassônicas para caracterização de fluidos, e professor no Centro Universitário de Itajubá (FEPI).

Mateus Mendes Campos, Universidade Federal de Itajubá

Atualmente, doutorando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Possui Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Foi bolsista BRAFITEC no ano 2011/2012 estudando na intituição francesa Ecole Nationale dIngénieurs du Val de Loire (ENIVL). Obteve o Masters degree em Sciences, Technologies mention Physique et sciences pour lIngénieur na especialidade eletrônica de sinal e microssistemas.

Germano Lambert Torres, Instituto Gnarus

Diretor de Pesquisa e Desenvolvimento da PS Soluções, desde 2010. Pesquisador-Associado e Coordenador do Conselho Técnico-Científico do Instituto Gnarus, desde 2012. Professor Titular da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), 1983-2012. Instrutor e Consultor da FUPAI, desde 1983. Engenheiro Eletricista, formado pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI), em 1982. Mestre em Engenharia Elétrica pela EFEI, em 1986. Doutor (Ph.D.) em Engenharia Elétrica pela École Polytechnique de Montreal, Canadá, em 1990. Bacharel em Ciências Econômicas pela Faculdade de Ciências Econômicas do Sul de Minas, em 1981. Licenciatura Plena em Matemática pela Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Itajubá, em 1981. Professor do Curso de Especialização em Sistemas Elétricos (CESE - ELETROBRÁS), 1990-2001. Tem sido Consultor e Instrutor de diversas concessionárias de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica no Brasil e no exterior, agências reguladoras, como ANEEL e ANP, e empresas como Petrobras, CSN e Vale. Diversos cursos ministrados nas áreas de Sistemas Elétricos de Potência, Métodos Numéricos e Inteligência Artificial para companhias de eletricidade, universidades e indústrias brasileiras e canadenses. Professor-Visitante da University of Waterloo Canadá, 1995-1996. Ministrou cursos de Pós-Graduação na École Polytechnique de Montréal e na Concordia University, no Canadá. Consultor Ad-Hoc na seleção de livros para editoras brasileiras, americanas e européias. Avaliador Ad-Hoc de cursos diversos cursos de graduação e pós-graduação no país e no exterior. Diversas palestras proferidas em Congressos e Universidades no Brasil, Estados Unidos, Canadá, Europa e Ásia. Revisor e Presidente de Sessão em mais de 200 congressos nacionais e internacionais, em entidades como IEEE, CIGRÉ e IFAC. Pró-Diretor de Pesquisa e Pós-Graduação da UNIFEI, 2000-2004. Professor-Tutor do Programa Especial de Treinamento (PET/IEE/EFEI-CAPES), 1992-2005. Paraninfo, Patrono e Professor Homenageado em diversas universidades brasileiras. Pesquisador de Produtividade Científica do CNPq, 1991-2015. Membro do Comitê de Assessoramento de Engenharias Elétrica e Biomédica e Microeletrônica (CA-EE) do CNPq, 2004-2007. Membro da Comissão do Exame Nacional do Curso de Engenharia Elétrica (Provão), 1998-2003. Membro do ISAP International Board, sendo reeleito por seus pares desde 2001. Membro do Comite de Seleção dos Membros Fellows do IEEE-IAS, desde 2017. Membro do IEEE Medal in Power Engineering Committee, desde 2018. Presidente do The International Conference on Intelligent System Application to Power Systems (ISAP), 1999 e 2009. Presidente do 1° Congresso Brasileiro de Redes Neurais, 1994. Vice-Presidente do Congress of Logic Applied to Technology (LAPTEC), 2003 e 2007. Recebeu diversos prêmios, tais como Technical Committee Working Group Recognition Award on New Technologies and Practical Applications do IEEE Power and Energy Society (PES) (2006), Outstanding Leadership as Member of the ISAP Board of Directors do International Council of ISAP (2007) e Technical Committee Working Group Recognition Award on Multi-Agent Systems do IEEE-PES (2008). Orientou mais de 80 teses de doutorado e dissertações de mestrado. Publicou mais de 600 artigos técnicos em revistas e conferências nacionais e internacionais. Ele também é autor ou coautor de 9 livros (5 deles publicados nos Estados Unidos e Europa) e mais de 30 capítulos de livros. Seus artigos já foram citados mais de 3300 vezes. Membro da Academia Itajubense de Letras, ocupando a Cadeira No. 28, desde 1996. É Fellow do IEEE por sua contribuição na área de Sistemas Inteligentes aplicados aos problemas dos Sistemas Elétricos de Potência.

Erik Leandro Bonaldi, Instituto Gnarus

Possui graduação, mestrado e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Itajubá, em 1999, 2002 e 2006, respectivamente. É sócio-diretor da PS Soluções Indústria, Comércio, Representações e Consultoria LTDA., comandando diretamente a maior fábrica nacional de invólucros de capacitores de potência e a fabricação de sensores, dispositivos inteligentes e sistemas de comunicação para a manutenção preditiva de motores de indução, transformadores e geradores. Tem participado de dezenas de projetos de P&D da ANEEL, muitas vezes ocupando a posição de Coordenador. Tem desenvolvido sensores, com características industriais, para diversos tipos de aplicações. Seus sensores e dispositivos estão espalhados por todo o Brasil, em empresas como Petrobras, CSN, Vale, Transpetro, Novelis, Gerdau, entre outras. Recentemente, sua empresa ganhou o prêmio Top Engenharias 2018 de Empresa Destaque na área de Manutenção Preditiva.

Rafael Bartholomeu Bernardo Carvalho, EDF Norte Fluminense

Engenheiro da EDF Norte Fluminense.

Referências

BADGUJAR, K. P.; MAOYAFIKUDDIN, M. & KULKARNI, S. V. Alternative statistical techniques for aiding SFRA diagnostics in transformers. IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 6, no. 3, pp. 189-198, 2012.

BRUTSCH, R.; TARI, M.; FROHLICH, K.; WEIERS, T. & VOGELSANG, R. Insulation Failure Mechanisms of Power Generators [Feature Article]. IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 24, no. 4, pp. 17-25, 2008.

DISTER, C. J.; DELVECCHIO, P. A. & ROGOVIN, D. N. System to Provide Low Cost Excitation to Stator Winding to Generate Impedance Spectrum for use in Stator Diagnostics. (2000) US Patent 6035265.

DRIF, M. & CARDOSO, A. J. Stator fault diagnostics in squirrel cage three-phase induc-tion motor drives using the instantaneous active and reactive power signatureanalyses. IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 10, no. 2, pp. 1348-1360, 2014.

GAMA, B. R.; SANT’ANA, W. C.; BORGES DA SILVA, L. E.; SALOMON, C. P.; TEIXEIRA, C. E.; CAMPOS, M. M.; LAMBERT-TORRES, G. & BONALDI, E. L. Tutorial para implementação de um sistema de aquisição e geração de sinais com fpga utilizando a plataforma de desenvolvimento STEMLab (red pitaya). Artigo submetido para Revista Ilha Digital em 09/08/2018.

GOMEZ-LUNA, E.; APONTE MAYOR, G.; GONZALEZ-GARCIA, C. & PLEITE GUERRA, J. Current Status and Future Trends in Frequency-Response Analysis With a Transformer in Service. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 28, no. 2, pp. 1024-1031, 2013.

IEEE-Std-C57. IEEE Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformers. IEEE Std C57.149-2012 , vol., no., pp.1-72, 2013.

KENDING, M. W. & ROGOVIN, D. N. Method of Conducting Broadband Impedance Response Tests to Predict Stator Winding Failure. (2002) US Patent 6483319B1.

KIM, J. W.; PARK, B.; JEONG, S. C.; KIM, S. W. & PARK, P. Fault diagnosis of a power transformer using an improved frequency-response analysis. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no. 1, pp. 169-178, 2005.

KLEMPNER, G. & KERSZENBAUM, I. Operation and Maintenance of Large Turbo-Generators. IEEE Press Series on Power Engineering. Wiley, 2004.

LAMARRE, L. & PICHER, P. Impedance Characterization of Hydro Generator Stator Windings and Preliminary Results of FRA Analysis. Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Vancouver, BC, pp. 227-230, 2008.

PERISSE, F.; WERYNSKI, P. & ROGER, D. A new method for AC machine turn insulation diagnostic based on high frequency resonances. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 14, no. 5, pp. 1308-1315, 2007.

PLATERO, C.A.; BLAZQUEZ, F.; BLANQUEZ, F.R.; REBOLLO, E.; BATLLE, B. & FERNANDEZ-SANCHEZ, E. Application of Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) for Inter-turn Detection of in Medium-voltage Coils Manufacturing. 44th International Conference on Large High Voltage Electric Systems, 2012.

RYDER, S. A. Diagnosing transformer faults using frequency response analysis. IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 19, no. 2, pp. 16-22, 2003.

SALOMON, C.P.; SANT’ANA, W.C.; BONALDI, E.L.; DE OLIVEIRA, L.E.L.; BORGES DA SILVA, J.G.; LAMBERT-TORRES, G.; BORGES DA SILVA, L.E.; PELLICEL, A.; LOPES, M.A.A. & FIGUEIREDO, G.C. A system for turbogenerator predictive maintenance based on Electrical Signature Analysis. 2015 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, Pisa, pp. 79-84, 2015.

SANT’ANA, W.C.; LAMBERT-TORRES, G.; BORGES DA SILVA, L.E.; BONALDI, E.L.; DE LACERDA DE OLIVEIRA, L.E.; SALOMON, C.P. & BORGES DA SILVA, J.G. Influence of rotor position on the repeatability of frequency response analysis measurements on rotating machines and a statistical approach for more meaningful diagnostics. Electric Power Systems Research, vol. 133, pp. 71-78, 2016.

SANT’ANA, W.C.; SALOMON, C.P.; LAMBERT-TORRES, G.; BORGES DA SILVA, L.E.; BONALDI, E.L.; LACERDA DE OLIVEIRA, L.E. & BORGES DA SILVA, J.G. A survey on statistical indexes applied on frequency response analysis of electric machinery and a trend based approach for more reliable results. Electric Power Systems Research, vol. 137, pp. 26-33, 2016.

SANT’ANA, W.C.; SALOMON, C.P.; LAMBERT-TORRES, G.; BORGES DA SILVA, L.E.; BONALDI, E.L.; DE LACERDA DE OLIVEIRA, L.E. & BORGES DA SILVA, J.G. Early detection of insulation failures on electric generators through online Frequency Response Analysis. Electric Power Systems Research, Vol. 140, pp. 337-343, 2016.

SANT’ANA, W.C.; SALOMON, C.P.; LAMBERT-TORRES, G.; BORGES DA SILVA, L.E.; BONALDI, E.L.; DE OLIVEIRA, L.E.L. & BORGES DA SILVA, J.G. On the use of hypothesis tests as statistical indexes for frequency response analysis of electric machinery. Electric Power Systems Research, vol. 147, pp. 245-253, 2017.

STONE, G.; BOULTER, E. A.; CULBERT, I. & DHIRANI, H. Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair. IEEE Press Series on Power Engineering. Wiley, 2004.

STONE, G. C. Recent important changes in IEEE motor and generator winding insulation diagnostic testing standards. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 41, no. 1, pp. 91-100, 2005.

SUMEREDER, C. Statistical lifetime of hydro generators and failure analysis. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 15, no. 3, pp. 678-685, 2008.

Downloads

Publicado

2019-08-30

Edição

v. 11 n. 2 (2019)

Seção

Artigos

Licença

Licença Creative Commons
Este obra está licenciado com uma Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.