Doctoral Thesis

Interturn Short Circuits in Synchronous Motors with Permanent Magnets: Modeling and Fault Diagnostics

Final Thesis 7.79 MB Summary of Thesis 7.79 MB

Author of thesis: Ing. et Ing. Lukáš Zezula

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D., prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

Abstract:

This doctoral thesis addresses the modeling and the diagnostics of interturn short circuits in synchronous motors with permanent magnets. Continuous-time and discrete-time models of a shorted motor are presented, capturing not only the impact of the fault itself but also additional effects such as radial fluxes from permanent magnets, series–parallel connections of stator phase segments, and motor connection resistance. The proposed discrete-time model achieves a trade-off between prediction accuracy and computational demands, with experimental validation confirming its superior precision compared to the forward Euler approximation. The model then forms the basis for the diagnostic algorithm, combining parameter estimation, statistical approach for model comparison, and Kalman filtering with Bayesian decision-making to enable fault detection, interturn short circuit localization, and subsequent identification of fault severity and hidden state monitoring. Laboratory experiments demonstrate that all parts of the diagnostic algorithm are fully functional, even at extremely low fault severities and in transient states.

Keywords:

discrete-time systems, fault currents, fault detection, fault diagnosis, fault location, Kalman filters, mathematical model, model checking, parameter estimation, permanent magnet machines, permanent magnet motors, recursive estimation, short-circuit currents, state estimation

Date of defence

10.12.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertant seznámil komisi s podstatnými částmi své disertační práce a úspěšně zodpověděl připomínky a otázky oponentů a členků komise.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (DPC-KAM)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Lettl, CSc. (člen)
doc. Ing. Bohumil Klíma, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Blaha, Ph.D.

Ve své disertační práci se Ing. et Ing. Lukáš Zezula věnoval modelování synchronních motorů s permanentními magnety při poruše typu mezizávitový zkrat, diskretizaci odvozených modelů a jejich použití pro diagnostiku poruchy, která je krom samotné detekce schopná poruchu i lokalizovat, určit její závažnost a sledovat neměřitelné veličiny jako zkratový proud, to vše v reálném čase. Při tvorbě modelu student využívá některých zjednodušení (například zanedbává vzájemné indukčnosti v jedné statorové fázi), která mu umožňují formulovat poměrně jednoduchý spojitý model sestávající z modelu zdravého motoru a rovnice popisující zkratový proud. Tento model je následně podroben semi-analytické diskretizaci, přičemž student implementuje různé aproximace, aby dosáhl kompromisu mezi přesností a výpočetní náročností modelu. Student rovněž v práci analyzuje numerickou stabilitu odvozeného modelu a dokazuje, že je univerzálně použitelný v libovolném pracovním bodě motoru, za předpokladu funkční kompenzace nelinearit měniče. Platnost modelu student ověřil laboratorními experimenty a v práci demonstroval významné zlepšení, ať už z hlediska numerické stability či přesnosti, vůči modelům založených na dopředné Eulerově aproximaci derivace. Následnou diagnostiku poruch využívající odvozený diskrétní model student postavil na algoritmech parametrické estimace, srovnání modelů a Kalmanovy filtrace, přičemž hojně využívá Bayesovkých přístupů a decision-makingu. Student v práci demonstroval, že diagnostický algoritmus je použitelný i v případě zkratů s extrémně nízkou závažností, které nelze konvenčními přístupy detekovat, natož estimovat jejich lokaci a závažnost.

Po celou dobu studia vedl disertant cvičení z předmětu Řízení a Regulace a Robustní a Algebraické Řízení. V předmětu Řízení a Regulace se zasadil o modernizaci počítačových a numerických cvičení. Je nutné podotknout, že do počítačových cvičení vypracoval zbrusu nové návody čítající něco přes 50 stran přibližující studentům řízení dynamických systémů v programu MATLAB a MATLAB Simulink. Ve studentském hodnocení předmětů na VUT se umístil v roce 2025 na 6. místě nejlepších vyučujících pro bakalářské studium na FEKT VUT. Vedl celkem 5 bakalářských prací, z nichž 4 byly hodnoceny stupněm A, 1 získala cenu děkana a 2 obsadily 2. a 3. pozici na studentské konferenci EEICT.

Během doktorského studia pracoval ve výzkumném centru CEITEC v Brně, kde se podílel na řešení národních i mezinárodních projektů. Na národní úrovni bych zmínil projekt CAMAT, ROBOPROX a GAČR „Analysis of Discrete and Continuous Dynamical Systems with Emphasis on Identification Problems“. Na mezinárodní úrovni se postupně podílel na řešení projektu AI4CSM, A-IQ Ready a Archimedes. Na začátku studia se mu navíc podařilo získat Brno PhD Talent 2022, stipendijní program pro podporu špičkových doktorandů na brněnských univerzitách.

Dosažené výsledky disertační práce byly řádně opublikovány na mezinárodním fóru formou tří konferenčních příspěvků na konferencích IECON 2023, 2024, 2025 a dvou časopiseckých publikací v IEEE Transactions on Indrustrial Electronics. Je nutné poznamenat, že student získal ocenění „Committee Prize Paper Award“ od IEEE IES EMTC za jeho příspěvek na konferenci IECON 2024 zabývající se estimací zkratového proudu po vzniku poruchy. Na konferenci IECON 2025 byl dokonce vybrán organizátory, aby předsedal interaktivní sekci.

Disertanta hodnotím jako člověka ambiciózního, šikovného, pečlivého, zapáleného pro věc, systematického, spolehlivého a pracovitého. Vyzdvihnul bych také jeho organizační schopnosti, které se projevily nejen při psaní časopiseckých článků, realizaci reálných experimentů a v procesu odpovídání na reakce posuzovatelů, ale také v dalších činnostech. Začlenil se jako plnohodnotný člen týmu a stal se významným hybatelem v oblasti vědecké práce.

Při řešení disertační práce disertant prokázal schopnost samostatné tvůrčí a vědecké práce. Tematicky v ní navazoval na svoji bakalářskou a magisterskou práci, což mu umožnilo rychle projít analýzou současného stavu a pustit se brzy do návrhu svých vlastních řešení. Disertační práci odevzdal na konci třetího roku studia. Za zmínku také stojí, že paralelně s tím vystudoval druhý magisterský obor na Fakultě podnikatelské „Strategický rozvoj podniku“ s červeným diplomem a cenou děkana. Domnívám se, že předložená práce splňuje požadavky kladené na disertační práci, že byla řádně opublikovaná a doporučuji ji k obhajobě.
viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 982,55 kB

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 2,10 MB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová