Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia Elétrica
GEYVERSON TEIXEIRA DE PAULA
Cálculo da Força Contra Eletromotriz em
Máquinas Síncronas com Ímãs na Superfície
do Rotor
São Carlos
2016
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Características da Forma de Onda da Força contra Eletromotriz em Máquinas Síncronas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Cálculo
Este documento discute as características da forma de onda da força contra eletromotriz em máquinas síncronas com imãs no rotor e sua relação com o torque eletromagnético. O documento compara diferentes métodos para obter a forma de onda da força contra eletromotriz e apresenta resultados para diferentes condições de carregamento. Além disso, o documento discute as implicações da forma de onda da força contra eletromotriz para o torque mútuo produzido pela máquina.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2022
1 / 119
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Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia Elétrica
GEYVERSON TEIXEIRA DE PAULA
Cálculo da Força Contra Eletromotriz em
Máquinas Síncronas com Ímãs na Superfície
do Rotor
São Carlos
Aos meus pais, verdadeiros heróis, que entre os dias quentes e as noites conge- lantes, de norte a sul e de leste a oeste deste país, na boléia de um caminhão se valeram do sacrifício dos próprios sonhos para verem os sonhos de seus filhos se- rem realizados. Ao meu pai, Valdeir, e a minha mãe, Eudislene, minha eterna grati- dão.
“ Here’s to the crazy ones. The misfits. The rebels. The troublemakers. The round pegs in the square holes. The ones who see things differently. They’re not fond of rules. And they have no respect for the status quo. You can praise them, disagree with them, quote them, dis- believe them, glorify or vilify them. About the only thing you can’t do is ignore them. Because they change things. They invent. They imagine. They heal. They ex- plore. They create. They inspire. They push the human race forward. Maybe they have to be crazy. How else can you stare at an empty canvas and see a work of art? Or sit in silence and hear a song that’s never been writ- ten? Or gaze at a red planet and see a laboratory on wheels? While some may see them as the crazy ones, we see genius. Because the people who are crazy enough to think they can change the world, are the ones who do… ”
Jack Kerouac
Resumo
Paula, G. T. (2016). Cálculo da Força Contra Eletromotriz em Máquinas Síncronas com Ímãs na Superfície do Rotor. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2016.
O presente trabalho trata do cálculo da força contra eletromotriz em carga de uma máquina síncrona com ímãs na superfície do rotor (cuja forma de onda de força contra eletro- motriz é não senoidal) sendo esta alimentada por correntes de fase cujas forma de onda são quadradas. Para conduzir esta investigação e calcular a força contra eletromotriz da máquina em estudo, faz-se uma revisão sobre o Método da Permeabilidade Fixa, método este que permite a linearização do ponto de operação da máquina. Dessa forma, as simulações são conduzidas por meio do método dos elementos finitos e do Método da Permeabilidade Fixa, levando-se em conta a forma de onda da corrente de alimentação. Atenção especial é dada ao modo que se analisa o fluxo concatenado e a forma de obtenção da força contra eletromo- triz uma vez que as formas de onda do fluxo concatenado sofrem variações abruptas a cada 60º elétricos. Além destes parâmetros, analisa-se também cada uma das parcelas do torque eletromagnético, i.e., torque mútuo, torque de relutância e torque de borda, sendo realizado ao final do trabalho, uma comparação entre a soma da estimativa de cada parâmetro com o valor do torque eletromagnético obtido por meio de uma simulação não linear.
Palavras-chave: Máquina Síncrona, Força Contra Eletromotriz, Tensores de Maxwell, Ele- mentos Finitos.
Lista de Figuras
- Figura 1.1 - Topologia de Máquinas Síncronas de Ímã Permanente no Rotor
- Figura 2.1 - Método da Permeabilidade Fixa
- Figura 2.2 - Emprego do Método da Permeabilidade Fixa
- Figura 2.3 - Modelo Físico do Estator Reconstruído.
- Figura 2.4 - Densidade de Fluxo Radial na Posição Inicial
- Figura 2.5 - Densidade de Fluxo Tangencial na Posição Inicial
- Figura 2.6 - Distribuição de Fluxo Eletromagnético
- Figura 2.7 - Malha do Entreferro
- Figura 3.1 - Força Contra Eletromotriz – Método Convencional
- Figura 3.2 - Comportamento Simétrico
- Figura 3.3 - Segregação das Regiões do Fluxo Concatenado com a Fase A
- Figura 3.4 - Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 3.5 - Força Contra Eletromotriz Composta
- Figura 3.6 - Etapa Adicional Proposta..................................................................................
- Figura 4.1 – Estator das Máquinas em Estudo.....................................................................
- Figura 4.2 – Rotores dos Casos em Estudo.........................................................................
- Figura 4.3 - Forma de Onda da Corrente de Alimentação
- Figura 4.4 - Fluxo Magnético (Operação em vazio)
- Figura 4.5 - Força Contra Eletromotriz (Operação em Vazio)
- Figura 4.6 - Torque de Borda (Operação em vazio)
- Figura 4.7 - Fluxo Magnético Concatenado (Carregamentos de 5, 10 e 20A)
- Figura 4.8 - Força Contra Eletromotriz (Carregamentos de 5, 10 e 20A)
- Figura 4.9 – Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 5A)
- Figura 4.10 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 10A)............................
- Figura 4.11 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 20A)............................
- Figura 4.12 - Região 1: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.13 - Região 2: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.14 - Região 3: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.15 - Força Contra Eletromotriz – Método da Composição
- Figura 4.16 - Força Contra Eletromotriz – Método dos Tensores
- Figura 4.17 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 5A)
- Figura 4.18 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 10A)
- Figura 4.19 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 20A)
- Figura 4.20 - Torque de Borda (Carregamento de 5A)
- Figura 4.21 - Torque de Borda (Carregamento de 10A)
- Figura 4.22 - Torque de Borda (Carregamento de 20A)
- Figura 4.23 - Amplitude e Frequência do Torque de Borda
- Figura 4.24 - Indutância de Linha Vista pelo Inversor
- Figura 4.25 - Torque de Relutância (Carregamento de 10A)
- Figura 4.26 - Torque de Relutância (Carregamento de 20A)
- Figura 4.27 - TEL vsTSoma (Carregamento de 5A)
- Figura 4.28 - TEL vsTSoma (Carregamento de 10A)
- Figura 4.29 - TEL vsTSoma (Carregamento de 20A)
- Figura 4.30 - Fluxo Magnético Concatenado (Operação em vazio)
- Figura 4.31 - Força Contra Eletromotriz (Operação em Vazio).............................................
- Figura 4.32 - Torque de Borda (Operação em vazio)
- Figura 4.33 - Fluxo Concatenado (Carregamentos de 5, 10 e 20A)
- Figura 4.34 - Força Contra Eletromotriz – Método Convencional
- Figura 4.35 – Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 5A)
- Figura 4.36 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 10A)
- Figura 4.37 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 20A)
- Figura 4.38 - Região 1: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.39 - Região 2: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.40 - Região 3: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.41 - Força Contra Eletromotriz – Método da Composição
- Figura 4.42 - Força Contra Eletromotriz – Método dos Tensores
- Figura 4.43 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 5A)
- Figura 4.44 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 10A)
- Figura 4.45 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 20A)
- Figura 4.46 - Torque de Borda (Carregamento de 5A)
- Figura 4.47 - Torque de Borda (Carregamento de 10A)
- Figura 4.48 - Torque de Borda (Carregamento de 20A)
- Figura 4.49 - Amplitude e Frequência do Torque de Borda
- Figura 4.50 - Indutância de Linha Vista pelo Inversor
- Figura 4.51 - Torque de Relutância (Carregamento de 5A)..................................................
- Figura 4.52 - Torque de Relutância (Carregamento de 10A)
- Figura 4.53 - Torque de Relutância (Carregamento de 20A)
- Figura 4.54 - TEL vsTSoma (Carregamento de 5A)
- Figura 4.55 - TEL vsTSoma (Carregamento de 10A)
- Figura 4.56 - TEL vsTSoma (Carregamento de 20A)
- Figura 4.57 - Fluxo Magnético Concatenado (Operação em vazio)......................................
- Figura 4.58 - Força Contra Eletromotriz (Operação em Vazio)
- Figura 4.59 - Torque de Borda (Operação em vazio)
- Figura 4.60 - Fluxo Magnético Concatenado (Carregamentos de 5, 10 e 20A)
- Figura 4.61 - Força Contra Eletromotriz – Método Convencional
- Figura 4.62 – Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 5A)
- Figura 4.63 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 10A)............................
- Figura 4.64 - Componentes do Fluxo Magnético (Carregamento de 20A)............................
- Figura 4.65 - Região 1: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.66 - Região 2: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.67 - Região 3: Componentes da Força Contra Eletromotriz
- Figura 4.68 - Força Contra Eletromotriz – Método da Composição
- Figura 4.69 - Força Contra Eletromotriz – Método dos Tensores
- Figura 4.70 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 5A)
- Figura 4.71 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 10A)
- Figura 4.72 - Torque Mútuo v.s. TEL (Carregamento de 20A)
- Figura 4.73 - Torque de Borda (Carregamento de 5A)
- Figura 4.74 - Torque de Borda (Carregamento de 10A)
- Figura 4.75 - Torque de Borda (Carregamento de 20A)
- Figura 4.76 - Amplitude e Frequência do Torque de Borda
- Figura 4.77 - Indutância de Linha.........................................................................................
- Figura 4.78 - Torque de Relutância (Carregamento de 5A)
- Figura 4.79 - Torque de Relutância (Carregamento de 10A)................................................
- Figura 4.80 - Torque de Relutância (Carregamento de 20A)................................................
- Figura 4.81 - TEL vsTSoma (Carregamento de 5A)
- Figura 4.82 - TEL vsTSoma (Carregamento de 10A)
- Figura 4.83 - TEL vsTSoma (Carregamento de 20A)
- Figura A.1 – Arranjo para medição da força contra eletromotriz
- Figura A.2 – Esquema elétrico para medição da força contra eletromotriz...........................
- Figura A.3 – Force Gauge