An insulation cause of failure in electrical machines and diagnostic tools for a railway application

The title of the research is “An insulation cause of failure in electrical machines and diagnostic tools for a railway application”. Basing on this topic the author focused on two different aspects. The first is related to the electrical machine’s diagnostic and the second is related to the development of diagnostic tools for monitoring a real important part of the train: the train axle. Nowadays state observers, precise sensors and estimation algorithms have been integrated resulting in more efficient and reliable tools for the electrical machine’s diagnostic. In the first chapter the state of the art of the acceptance and qualification tests are described together with the reference standards for designing an insulation system when the electrical machine is powered by repetitive voltage pulses that come from an electronic converter, as a PWM. The combination of very fast switching voltage plus long cable can lead to over-voltage at the motor terminals. This phenomenon leads to high insulation stress in the first turns of the winding and proper countermeasures must be taken. A new induction motor model is derived in the second chapter, which can simulate the low-to-high frequency effects like the motor terminals over-voltages and the voltage oscillations. The simulation results are validated through comparison with measured values in a wide frequency range and brings the simulation response to more realistic results. The reinforcement of the insulation in the first coil brings some disadvantages that are shown in the third chapter where also an analytical simplified machine’s coil model is derived to investigate the voltage propagation along the coil. The second part of the thesis deals with the train axle diagnostic tools. The axle is a vital part of the train and its continuous monitoring can significantly improve the safety in the railway transportation system. Strain supervision requires proper sensors and a reliable electrical power source to guarantee an effective measurement. Nowadays there are some commercially available devices for the axle strain measurement and all of them avoid slip rings and direct contact with the shaft. The analysis of three different solutions is carried out along with some tests performed to validate the results and verify the effectiveness of these solutions. The first solution is a high frequency induction power feeding system which involves a primary and a secondary winding in a coreless transformer. The second solution is a radio frequency transmission system; thanks to patch and rectifying antennas, DC power can be collected from a radio transmitter. The third solution is based on the construction of a Permanent Magnets (PM) printed-winding machine mounted on a bearing structure around the axle. The machine works as a PM generator which transfers energy to the rotating windings and thus to the rotating telemetry system. For all the solutions the main advantages and drawbacks are underlined. The performance results of each power feeding system show to the reader which technology can be more easily used for the next future axle monitoring system.

Il tema della ricerca è “Analisi di una causa di guasto nelle macchine elettriche e strumenti diagnostici per un’applicazione ferroviaria”. Basandosi su questo tema, la ricerca è stata focalizzata su due aspetti. Il primo è legato alla diagnostica delle macchine elettriche mentre il secondo è legato allo sviluppo di strumenti per la diagnostica e il monitoraggio di una parte vitale dei i treni: l’assile ferroviario. Oggigiorno osservatori di stato, sensori di precisione e algoritmi di stima sono integrati al fine di ottenere strumenti per la diagnostica affidabili e completi. Nel primo capitolo sono descritti lo stato dell’arte dei test di qualifica e accettazione assieme alle normative tecniche di riferimento per il progetto di un sistema di isolamento quando la macchina elettrica è alimentata da impulsi ripetitivi di tensione derivanti da un convertitore elettronico come un inverter PWM. La combinazione di impulsi a fronte ripido e cavi di alimentazione lunghi, può portare a sovratensioni ai terminali del motore. Questo fenomeno causa forti sollecitazioni all'isolamento nelle prime spire dell’avvolgimento e appropriati accorgimenti devono essere presi. Nel secondo capitolo viene descritto un nuovo modello per il motore ad induzione che può simulare gli effetti dalle basse alle alte frequenze come le sovratensioni ai terminali del motore e le oscillazioni di tensione. I risultati di simulazione sono validati attraverso il confronto con le misure in un ampio intervallo di frequenze rendendo la simulazione più realistica. Il rafforzamento dell’isolamento solo nelle prime spire porta ad alcuni svantaggi che sono mostrati nel terzo capitolo dove inoltre è descritto un modello analitico semplificato di avvolgimento che consente di analizzare la propagazione della tensione all'interno delle spire. La seconda parte della tesi tratta degli strumenti per la diagnostica dell’assile del treno. L’assile è una parte vitale del treno e il suo continuo monitoraggio può significativamente accrescere la sicurezza nei sistemi di trasporto ferroviari. La supervisione degli sforzi che l’assile subisce richiede sensori appropriati e sorgenti di alimentazione elettrica affidabili per garantire una misura efficace. Attualmente esistono alcuni dispositivi commercialmente disponibili per la misura degli sforzi e tensioni e tutti evitano anelli di strisciamento e contatti diretti con l’assile. Viene mostrata l’analisi e lo studio di tre differenti soluzioni assieme con alcuni test svolti per validare i risultati e verificare l’efficacia delle soluzioni. La prima è un sistema ad induzione in aria ad alta frequenza che prevede un avvolgimento primario e uno secondario avvolti a formare un trasformatore senza nucleo. La seconda soluzione è un sistema di trasmissione a radio frequenze; grazie ad antenne tipo “patch” che convertono l’alimentazione in una tensione continua, è possibile trasferire potenza in corrente continua da un’antenna di trasmissione radio. La terza soluzione è basata sulla costruzione di una macchina elettrica a magneti permanenti con avvolgimento stampato montata sulla struttura di un cuscinetto attorno all'assile. La macchina funziona come un generatore a magneti permanenti che trasferisce energia agli avvolgimenti rotanti solidali con l’assile e quindi al sistema di telemetria. Per tutte le soluzioni sono mostrati i principali vantaggi e svantaggi. I risultati e le prestazioni di ognuno dei sistemi di alimentazione mostrano quale tecnologia può essere più facilmente usata per i futuri strumenti di diagnostica dell’assile ferroviario.