Desempenho do motor de indução trifásico em condições especiais de funcionamento: alimentado por um conversor NPC com tolerância a falhas ou com avarias no rotor

Abstract

Nesta tese apresenta-se um trabalho de investigação sobre o desempenho e o comportamento térmico de dois tipos de motores de indução trifásicos, em condições especiais de funcionamento: dois motores com gaiola de esquilo, das classes de eficiência IE2 e IE3, e um motor de rotor bobinado. O trabalho é divido em três estudos, que foram delineados de forma a mitigar as lacunas existentes na literatura. O primeiro estudo foi realizado no âmbito do projeto PTDC/EEA-EEL/100156/2008 - "Fault Diagnosis in High Power Drives Based on Multilevel Converters", financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia, através do Instituto de Telecomunicações. Este estudo consistiu em avaliar o comportamento dos motores IE2 e IE3, quando alimentados por um conversor multinível NPC de três níveis com tolerância a falhas, quer a funcionar em modo normal, quer em modo reconfigurado. Na primeira fase deste estudo, foi processado e analisada uma elevada quantidade de dados, provenientes de ensaios experimentais. Estes ensaios foram complementados por simulações, baseadas em modelos de elementos finitos, para a determinação das perdas nos núcleos ferromagnéticos dos motores. Desta análise verificou-se que, quando o conversor opera em modo reconfigurado, as perdas e as temperaturas nos motores são maiores, e os rendimentos menores. Verificou-se, igualmente, que o motor da classe de eficiência IE3 teve um melhor desempenho do que o motor da classe IE2. O segundo estudo versou avaliar o comportamento de um motor de indução de rotor bobinado, alimentado por uma fonte sinusoidal trifásica e com excentricidades estática, dinâmica e mista. Para o efeito, foram realizados vários ensaios experimentais para os diversos tipos de excentricidade, com diferentes valores de severidade e de cargas. Este estudo foi complementado com simulações em elementos finitos, que permitiram analisar o comportamento das forças magnéticas, essenciais para a estimação da vida útil dos rolamentos. Os resultados mostraram que para níveis de excentricidades inferiores a 33%, a potência mecânica, o rendimento e a temperatura não têm alterações assinaláveis, mas que conduzem, no entanto, a um desgaste acelerado dos rolamentos. No âmbito do estudo sobre excentricidade, foi, também, introduzido o conceito de centro térmico, que permite avaliar a assimetria térmica nos enrolamentos do motor. O terceiro estudo consistiu na avaliação do comportamento do motor de gaiola, da classe IE3, alimentado por uma fonte sinusoidal trifásica, para os casos de barras adjacentes e não adjacentes fraturadas, e para um anel fraturado. Com este propósito, foi concebida uma metodologia baseada em modelos de elementos finitos 2D e 3D. As simulações mostraram que a velocidade do motor diminui em linha com o número de barras fraturadas. Verificou-se de igual modo que a velocidade do motor oscila, para os casos da gaiola com avaria. O aumento do número de barras fraturadas levou a um aumento das perdas, à diminuição do rendimento, e por conseguinte ao aumento da temperatura no motor. Por último, o procedimento utilizado para simular fraturas na gaiola, que utiliza simultaneamente modelos 2D e 3D, revelou-se uma metodologia vantajosa em relação às encontradas na literatura, para o estudo térmico do motor, nestas condições de avaria.

This thesis presents a research work on the performance and thermal behaviour of two types of three-phase induction motors in special operating conditions: two squirrel-cage motors, of IE2 and IE3 efficiency classes, and a wound rotor motor. The work is divided into three studies in order to fill some gaps existing in the literature. The first study was conducted under the project PTDC/EEA-EEL/100156/2008 - "Fault Diagnosis in High Power Drives Based on Multilevel Converters", funded by Fundação para a Ciência e a Tecnologia, and conducted in Instituto de Telecomunicações. This study aimed to evaluate the behaviour of IE2 and IE3 motors when fed by a three-level NPC fault-tolerant converter, operating in normal mode and in reconfiguration mode. In the first part of this study a large amount of data from experimental tests was processed and analysed. These tests were complemented by simulations based on finite element models to calculate the losses in the ferromagnetic cores of the motors. By this analysis it was found that when the motors are fed by the converter in reconfiguration mode, their losses and temperatures are higher and the efficiencies are lower. It was also verified that the IE3 efficiency class motor had a better performance compared to the IE2 efficiency class motor, for the same supply conditions. The goal of the second study was to evaluate the behaviour of a wound rotor induction motor, supplied by a sinusoidal three-phase voltage supply system, with static, dynamic and mixed eccentricities. For this purpose, several experimental tests were conducted for the three types of eccentricity, with different severity values, and for different motor load levels. This study was complemented by simulations using finite element models, which allowed the extrapolation of the case studies for high eccentricity conditions. These simulations also allowed to analyse the behaviour of the magnetic forces, which are essential for estimating the useful life of the motor bearings. The results showed that for eccentricities levels below 33%, the mechanical power, efficiency and temperature have no noticeable change, leading however to an accelerated wear of the bearings. Under the scope of this study, the concept of Thermal Centre was introduced, which allows to evaluate the thermal asymmetry in the motor windings under the presence of eccentricity. The third study aimed to evaluate the behaviour of an IE3 class squirrel-cage motor, supplied by a sinusoidal three-phase voltage supply system, for the cases of adjacent and non-adjacent fractured bars, and a fractured end-ring segment. With this purpose, a methodology based on 2D and 3D finite element models was conceived. The simulation results showed that the motor speed decreases with the increase of the number of fractured bars. It was also found that the motor speed oscillates in the case of a faulty cage. The increased number of fractured bars leads to an increase of the motor losses, a reduction of the efficiency, and therefore to a motor temperature rise. Finally, the procedure used to simulate the fractures in the cage, which simultaneously uses 2D and 3D models, has proven to be an advantageous method compared to those found in the literature for the thermal study of motors under these faulty conditions.