Modelagem de máquinas de indução pentafásicas sob falha incluindo harmônicas, pulsação de torque e perdas

Abstract

O presente trabalho aborda a máquina de indução pentafásica operando sob falha sem controle, assim como com falha e com controle usando várias estratégias que reduzem a pulsação do torque produzida durante a falha. O tipo de falha considerada é a que interrompe a circulação de corrente em uma das fases do estator (fase aberta). O objetivo principal do presente estudo consiste em determinar os impactos da operação sob falha, com e sem controle, na distribuição da indução no interior da máquina, nas perdas magnéticas e no torque eletromagnético. São também propostos novos modelos para a distribuição da indução no interior da máquina; além disto, é proposto um novo modelo para a máquina operando em regime permanente senoidal. Para validar e testar os modelos desenvolvidos foram realizadas simulações com elementos finitos e ensaios com duas máquinas pentafásicas disponíveis no laboratório da UFRGS, sendo na sequência ambos resultados comparados com os obtidos com os modelos propostos. Os modelos para a distribuição da indução fornecem induções muito semelhantes às obtidas com o método dos elementos finitos. Além disto, o modelo proposto para o regime permanente possibilita que um número arbitrário de harmônicas da indução no entreferro seja considerado quando são calculadas as indutâncias mútuas entre o rotor e o estator. Nos modelos conhecidos, apenas a componente fundamental e a terceira harmônica da indução no entreferro acoplam magneticamente o rotor ao estator. Consequentemente, o torque e as correntes fornecidas pelo modelo proposto incluem os efeitos das harmônicas da indução produzidas pelos enrolamentos do estator e do rotor. Os resultados apresentados e discutidos neste trabalho mostram que a distribuição da indução e das perdas magnéticas mudam consideravelmente durante a operação sob falha. Entretanto, a variação total das perdas magnéticas é pequena, pois em algumas regiões as perdas aumentam enquanto que em outras as perdas diminuem. No estator, o conteúdo harmônico e a amplitude da indução em cada um dos dentes e em diferentes partes da coroa são alterados e, no rotor, a operação sob falha adiciona harmônicas de alta frequência ao conteúdo harmônico das induções nos dentes e coroas.

The present work addresses the five-phase induction machine operating under fault without control, as well as under controlled faulty operation using several strategies that reduce the torque pulsation arising during the fault. The fault considered here concerns the interruption of the current in one of the stator phases (open-phase fault). The main objective of the study presented here is to determine the impacts of the operation under fault, with and without control, on the distribution of the induction inside the machine, on the magnetic losses, and the electromagnetic torque. Besides, new models are proposed to determine the distribution of the induction inside the machine; further, a new model for the machine operating under sinusoidal steady-state is also presented. To validate and test the developed models, simulations have been carried out with the finite element method using two five-phase machines available at UFRGS; further, several practical tests have been done with the referred machines, with practical results being subsequently compared with theoretical results obtained with the proposed models. The models for the induction distribution provide results very similar to those obtained with the finite element method. Besides, the proposed model allows the inclusion of an arbitrary number of air gap induction harmonics into the mutual inductances between the rotor and the stator. In the known models, only the fundamental and the third-harmonic components of the air gap induction magnetically couple the rotor to the stator. Consequently, the torque and currents provided by the proposed model include the effects of the induction harmonics produced by the stator and rotor windings. The results presented and discussed here show that the distribution of the induction and magnetic losses change considerably during operation under fault. However, the total magnetic losses change only by a small amount, which can be explained by the fact that in some regions inside the machine the losses increase while in others they decrease. In the stator, the harmonic content and the amplitude of the induction in each of the teeth and in different parts of the yoke change; furthermore, in the rotor, the faulty operation adds high-frequency harmonics to the harmonic content of the inductions in the teeth and yokes.