Redução do ripple de torque em máquinas síncronas de relutância fundamentada na função torque interpolada

Abstract

A mitigação da ondulação de torque em máquinas síncronas de relutância (SynRM) é fundamental para aplicações que demandam elevada qualidade de acionamento. Este trabalho investiga estratégias de controle baseadas na modelagem harmônica da função torque Kt(θe, β, I), obtida via análise eletromagnética pelo Método dos Elementos Finitos (FEM). São avaliados o método tradicional baseado em parâmetros médios, a técnica de função torque fixa proposta na literatura e duas estratégias desenvolvidas neste estudo: o chaveamento da função Kt conforme a corrente instantânea e a reconstrução harmônica interpolada. A metodologia inclui a identificação da função torque para múltiplos níveis de corrente, sua decomposição espectral e aplicação das correntes compensatórias em controladores PI+R+R ajustados para 6000 rpm. Os resultados elétricos, mecânicos e eletromagnéticos são analisados para cargas de 10, 50 e 100 Nm. Os resultados evidenciam que a função torque fixa é eficaz apenas quando a máquina opera sem saturação magnética; nas demais faixas, torna-se incompatível com o estado magnético real e provoca instabilidade. O método chaveado apresenta bom desempenho apenas em baixas correntes, degradando-se na presença de saturação magnética. A estratégia interpolada adapta continuamente amplitudes e fases harmônicas, reduzindo o ripple para menos de 2,62%, demonstrando a efetividade do método proposto. Conclui-se que a interpolação harmônica da função torque oferece mitigação robusta da ondulação, apresentando elevado potencial para acionamentos de alto desempenho. São sugeridas como extensões futuras a implementação de controle adaptativo em tempo real, otimização online das harmônicas e integração com restrições térmicas e dependência da velocidade.

Mitigating torque ripple in synchronous reluctance machines (SynRMs) is fundamental for applications demanding high-quality drives. This work investigates control strategies based on harmonic modeling of the torque function Kt(θe, β, I), obtained via electromagnetic analysis using the Finite Element Method (FEM). The study evaluates the traditional average-parameter method, the fixed torque-function technique from the literature, and two strategies developed herein: switching the Kt function according to instantaneous current and a harmonically interpolated reconstruction. The methodology includes identifying the torque function for multiple current levels, its spectral decomposition, and applying compensating currents in PI+R+R controllers tuned to 6000 rpm. The electrical, mechanical, and electromagnetic results are analyzed for loads of 10, 50, and 100 Nm. The results show that the fixed torque function is effective only when the machine operates without magnetic saturation; in other ranges, it becomes incompatible with the real magnetic state and causes instability. The switched method performs well only at low currents, degrading in the presence of magnetic saturation. The interpolated strategy continuously adapts amplitudes and harmonic phases, reducing the ripple to less than 2.62%, demonstrating the effectiveness of the proposed method. It is concluded that harmonic interpolation of the torque function offers robust ripple mitigation, showing high potential for high-performance drives. For future work, it is suggested to develop real-time adaptive control, online optimization of harmonics, and integration with thermal constraints and speed dependence.