Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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dc.creatorRECH, Eduardo Vaz Fagundes-
dc.date.issued2026-07-08-
dc.identifier.citationRECH, Eduardo Vaz Fagundes. Electric motor fault detection under nonstationary operation using koopman operator spectral analysis. 2026. 270 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4468-
dc.description.abstractAccurate motor fault detection and flow rate estimation in industrial centrifugal pumps is essential for diagnostics, performance monitoring, and process optimization, yet traditional frequency-domain techniques such as Motor Current Signature Analysis (MCSA) often rely on fixed spectral bands and assume stationarity, making them less effective under variable-speed operation, changing loading conditions, and multiphase flow environments. This work introduces a Koopman-theoretic framework for motor fault and flow-rate classification based on Hankel-embedded Higher-Order Dynamic Mode Decomposition (HODMD), enabling extraction of physically interpretable spectral-dynamical features from multichannel current, voltage, and vibration measurements. The proposed pipeline computes Koopman eigenvalues, modal energies, growth rates, temporal coherence, and spectral entropy to construct a compact descriptor of pump electromechanical behaviour, which is subsequently evaluated through supervised and unsupervised learning pipelines incorporating SMOTE balancing, nonlinear UMAP projection, and extensive hyperparameter optimization via TPESearchCV. Using 2 laboratory datasets, the first consisting of 106 signals describing 4 motor faulty operation states with different input frequencies, its results were as high as 96.8% cross validation accuracy and 80.7% balanced test accuracy. The second dataset consists of 1304 signals spanning multiple rotational speeds, heterogeneous fluid compositions, and 11 unbalanced flow-rate range classes, the system achieves up to 97.8% cross-validation balanced accuracy and up to 92.6% balanced test accuracy while revealing coherent manifold structure aligned with physical flow-rate regimes. Although overlapping operating states and speed-dependent spectral shifts introduce classification challenges, the results demonstrate that Koopman spectral feature captures the essential dynamic structure of the pump more effectively than traditional Fourier-based approaches, highlighting their potential for robust, reliable, and generalizable monitoring and diagnostics of industrial pumping systems.pt_BR
dc.languageengpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Itajubápt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectAnálise da assinatura de corrente de motorespt_BR
dc.subjectAnálise espectralpt_BR
dc.subjectAprendizado de maquinapt_BR
dc.subjectClassificação de vazãopt_BR
dc.subjectDynamic mode decompositionpt_BR
dc.subjectHigher-order dynamic mode decompositionpt_BR
dc.subjectOperador de Koopmanpt_BR
dc.subjectRedes neuraispt_BR
dc.titleElectric motor fault detection under nonstationary operation using koopman operator spectral analysis.pt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR
dc.date.available2026-08-27-
dc.date.available2026-08-27T17:40:48Z-
dc.date.accessioned2026-08-27T17:40:48Z-
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/4998662787113485pt_BR
dc.contributor.advisor1SANT’ANA, Wilson César-
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6269404117422404pt_BR
dc.contributor.advisor-co1OLIVEIRA, Levy Ely de Lacerda de-
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3881954828574930pt_BR
dc.description.resumoDetecção de falhas em motores elétricos e estimação de vazão precisa em bombas centrifugas industriais é essencial para diagnóstico, monitoramento de performance e otimização de processo, porem técnicas de análise de frequência tradicionais como Análise da Assinatura de Corrente de Motor (MCSA) se baseiam em faixas espectrais fixas e assumem estacionariedade, fazendo estas técnicas inadequadas em operações com velocidade variável, mudanças de carga, e condições com fluidos multifásicos. Este trabalho introduz uma estrutura com a teoria de Koopman para detecção de falhas em motores elétricos e classificação de taxa de vazão, baseado em Matrizes de Hankel, Higher-Order Dynamic Mode Decomposition (HODMD), habilitando a extração de características com interpretação física do espectro dinâmico de um sistema multicanal composto por medidas de corrente, tensão e vibração. A sequência de processamento proposta computa autovalores de Koopman, as energias de cada modo dinâmico, taxas de crescimento, coerência temporal e entropia espectral para construir um descritor compacto do comportamento eletromecânico do motor, o qual é posteriormente avaliado por meio de algoritmos de aprendizado supervisionado e não supervisionado, incorporando balanceamento de classes via SMOTE, projeção não linear via UMAP e extensiva otimização de hyperparametros via TPESearchCV. Utilizando dois bancos de dados, o primeiro consistindo de 106 sinais descrevendo 4 estados de falha destintos com diferentes frequências de alimentação, alcançando resultados tão altos como 96.8% de acurácia balanceada em validação cruzada e 80.7% de acurácia balanceada em sinais de teste. O segundo banco de dados contêm 1304 sinais, abrangendo múltiplas velocidades de rotação, composição de fluidos heterogêneos, e 11 classes desbalanceadas de bandas de vazão, o sistema conquista ate 97.8% de acurácia balanceada em validação cruzada e 92.6% de acurácia balanceada em sinais de teste enquanto revela uma manifold com estrutura coerente e alinhada com os regimes de taxa de vazão físicos. Enquanto estados de operação sobrepostos e deslocamentos espectrais dependentes de velocidade introduz desafios de classificação, os resultados demonstram que as características do espectro de Koopman extraídos capturam a estrutura dinâmica essencial da bomba de forma mais eficaz do que abordagens tradicionais baseadas no espectro de Fourier, destacando seu potencial para monitoramento e diagnóstico robusto, confiável e generalizável de sistemas industriais motorizados.pt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentIESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informaçãopt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Elétricapt_BR
dc.publisher.initialsUNIFEIpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICApt_BR
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