Análise de máquinas de indução com rotor em gaiola considerando saturação magnética e harmônicos

Abstract

A motivação principal do trabalho foi a hipótese de que um gerador de indução, devido à sua condição mais saturada, não teria seu comportamento adequadamente descrito pelo modelo clássico, já consagrado na análise de motores em regime permanente. Após a revisão bibliográfica foi então feita então uma abordagem analítica sobre conceitos ligados a harmônicas espaciais de fmm e de condutância magnética do entreferro. Também foram feitos estudos e implementações da modelagem analítica para cálculo de resistências, reatâncias de magnetização e de dispersão para levar em conta a possível modificação de parâmetros em função de saturação. Paralelamente a isto foram realizados ensaios de rotor bloqueado, a vazio e sob carga na condição de motor e de gerador com uma máquina comercial. Como os resultados das simulações apresentavam diferenças significativas com relação àqueles obtidos nos ensaios, principalmente na condição de escorregamento negativo, buscou-se na análise da máquina pelo método dos elementos finitos alguma informação. Apesar das informações obtidas serem relevantes elas não ajudaram a minimizar as diferenças entre ensaio e modelagem. O que mais conduziu à conclusão do estudo foi a consideração da variação da reatância de magnetização com a tensão de entreferro e da variação da reatância de dispersão da ranhura do rotor usando a abordagem das ranhuras fechadas com saturação da ponte da ranhura. Estas considerações, juntadas ao cálculo analítico das perdas suplementares e das correntes interbarras levaram ao modelo proposto final. As simulações e os ensaios no laboratório mostraram que o modelo proposto produz resultados mais confiáveis do que os obtidos pelo modelo clássico, na condição de motor e de gerador, confirmando a hipótese inicial. O modelo então, buscado inicialmente para o gerador, estendeu-se também para o funcionamento como motor onde apresentou ótimos resultados.

The main motivation of the work was the hypothesis that an induction generator, due to its more saturated condition, would not have its behavior adequately described by the classic model, already enshrined in the analysis of motors in steady state. After the bibliographic review, an analytical approach was then made on concepts related to spatial harmonics of mmf and magnetic conductance of the air gap. Studies and implementations of analytical modeling were also carried out to calculate resistances, magnetization, and dispersion reactances to take into account the possible modification of parameters due to saturation. In parallel to this, tests were performed on locked rotor, at no-load and under load in the condition of motor and generator with a commercial machine. As the results of the simulations presented significant differences in relation to those obtained in the tests, mainly in the condition of negative slip, we sought in the analysis of the machine by the finite element method some information. Although the information obtained is relevant, it did not help to minimize the differences between testing and modeling. What most led to the conclusion of the study was the consideration of the variation of the magnetization reactance with the air gap voltage and of the variation of the dispersion reactance of the rotor slot using the closed slot approach with saturation of the slot bridge. These considerations, coupled with the analytical calculation of supplementary losses and interbar currents, led to the final proposed model. The simulations and tests in the laboratory showed that the proposed model produces more reliable results than those obtained by the classic model, in the condition of motor and generator, confirming the initial hypothesis. The model, initially sought for the generator, was extended to the operation as a motor where it presented excellent results.