Contribuição ao estudo da máquina síncrona pentafásica de ímãs permanentes operando sob condição normal e sob falha

Abstract

Tendo em vista as características atrativas de máquinas síncronas com cinco fases a ímãs permanentes, o presente trabalho propõe um modelo analítico para este tipo de má- quina operando em regime permanente normal e sob abertura de uma fase, considerando componentes harmônicas na indução do entreferro. A fim de testar e validar o modelo, foram utilizados dois protótipos de 1, 5 kW disponíveis na UFRGS com diferentes características em termos de conteúdo harmônico da indução do entreferro. O primeiro deles, apresenta uma distribuição da indução radial no entreferro aproximadamente senoidal, enquanto o segundo possuí uma indução aproximadamente trapezoidal. Primeiramente, é realizada uma revisão bibliográfica na área de máquinas elétricas com mais de três fases a ímãs permanentes, onde são discutidas as vantagens, desvantagens, modelos analíticos e principais trabalhos publicados nos últimos anos. Na sequência, é apresentado um modelo analítico, onde para simplificar, foi considerada, além da componente fundamental, a componente de terceiro harmônico na indução do entreferro, não havendo contudo restrição para a tensão terminal. Além disso, uma transformação de coordenadas complexa é aplicada ao sistema original de equações, sendo na sequência as equações transformadas para o sistema de coordenadas do rotor. Diferente da maioria dos trabalhos encontrados na literatura, as transformações de coordenadas utilizadas aqui são as mesmas tanto para a operação normal como para a operação sob falha. São também abordados os parâmetros necessários para o modelo, sendo apresentado o método adotado para o cálculo das indutâncias, resistência de fase e tensões induzidas em vazio. Finalmente, para validar e testar o modelo proposto, foram feitas análises com o método de elementos finitos e ensaios com os dois protótipos, sendo ambos resultados comparados com os obtidos com o modelo analítico. Os testes realizados incluíram a operação como motor e gerador em regime permanente normal e sob falha, sendo observada uma concordância boa para as correntes e torque eletromagnético obtidas com o modelo e através de ensaios e elementos finitos. Assim, os resultados numéricos e os obtidos com ensaios indicam que o modelo proposto é válido e descreve o comportamento de ambos os protótipos com boa acurácia.

The present work proposes an analytical model for five-phase synchronous permanentmagnet machines operating under normal steady state and with one phase opened, considering harmonic components in the airgap induction. To test and validate the model, two 1, 5 kW prototypes available at UFRGS with different characteristics in terms of the harmonic content of airgap induction were used. The first prototype was designed to produce an approximately sinusoidal induction distribution in the airgap, while the second was designed to produce an approximately trapezoidal induction distribution. First, a literature review is introduced with a focus on permanent-magnet synchronous machines with more than three phases, where their advantages are discussed, along with their drawbacks and limitations of existing analytical models. Next, an analytical model is presented, where for shortness, in addition to the fundamental component, the third harmonic component of the air-gap induction was also considered, yet with no restriction on the terminal voltage. Further, a complex coordinate transformation is applied to the original equation system, and subsequently, the stator quantities are transformed into the rotor coordinate system. Different from the major works found in the literature, the coordinate transformation used in this work remains the same for both normal and also faulty operations. The required parameters of the model are also addressed, together with the method adopted for calculating inductances, phase resistances, and induced no-load voltages. Finally, to validate and test the proposed model, analyses with the finite element method and tests with the two prototypes were carried out, and the results obtained with both approaches were compared with those obtained with the analytical model. The experimental tests included the operation at steady state as a motor and generator under normal and faulty conditions. A good agreement was observed between the currents and electromagnetic torque estimated with the model and those obtained through tests and the finite element method. Therefore, the results led to the conclusion that the proposed model is valid and describes the behavior of both prototypes with good accuracy.