Monitoramento, controle e diagnóstico em tempo real de máquinas a relutância variável como motor/gerador em ambientes de velocidades variáveis

por Andressa de Moura Periolo
Publicado: 03/11/2023 - 15:00
Última modificação: 12/12/2023 - 15:55

A máquina a relutância variável, MRV, apresenta-se como solução viável e competitiva em aplicações que demandem a alternância de estado motor para gerador durante a operação, e também pelas seguintes características: robustez, permitindo trabalho em ambientes sujeitos a altas temperaturas e vibrações; tolerância à falta de fases em motores polifásicos, visto que as fases são controladas de modo independente; construção simples, com enrolamentos concentrados nos polos e rotor laminado; redução de perdas ôhmicas no rotor, visto à inexistência de enrolamentos no mesmo; alimentação a partir de uma fonte de corrente contínua, apresentando impacto positivo na implementação do conversor para seu acionamento; elevado conjugado de partida; alta relação torque/volume, o que gera impactos financeiros visto à redução da matéria prima em sua produção. Desta forma, é possível elencar diversos setores nos quais a MRV contribui de forma decisiva no ganho energético, tais como o setor aeronáutico e espacial com os geradores a relutância variável de alta rotação, setor automotivo com sistemas de tração elétrica, e ainda em aplicações no aproveitamento da energia dos ventos através de geradores de pequeno porte de até 100 kVA. Importante salientar que tais aplicações pressupõem velocidades variáveis e, portanto, demandam circuitos e dispositivos da eletrônica de potência. O emprego da MRV no setor aeronáutico se dá exatamente pela facilidade de transição entre as operações motor/gerador e vice-versa. A característica que permite a comutação da MRV entre motor e gerador é a ausência de enrolamentos de campo ou ímãs permanentes em seu rotor, permitindo definir seu comportamento a partir do sistema de controle. As aplicações em veículos elétricos e veículos híbridos estão assentadas na facilidade de se operar tais máquinas em ampla faixa de operação de velocidade, além da adaptabilidade do projeto da máquina para uso na área automotiva, inclusive em veículos autônomos. Aplicações na área de geração de energia eólica estão fortemente atreladas ao fato destes geradores não necessitarem de caixas de engrenagem, além de operarem em velocidades variáveis, o que reduz significativamente o valor do projeto. A máquina a relutância variável produz conjugado pela tendência do rotor movimentar-se para a posição em que a indutância do enrolamento excitado é máxima, podendo esse movimento ser linear ou rotacional. Pode-se afirmar então que a grandeza fundamental de uma MRV é a indutância, existindo um ponto em que seu valor é máximo, correspondente à posição onde os polos do rotor e do estator estão completamente alinhados; e um ponto em que a indutância é mínima, correspondente à posição onde estes polos estão completamente desalinhados. Estas posições recebem o nome de posição de equilíbrio estável e posição de equilíbrio instável, respectivamente. Energizando a fase da máquina na posição de equilíbrio estável, o rotor permanecerá parado indefinidamente. Por outro lado, energizando a fase da máquina na posição de equilíbrio instável, o rotor poderá se movimentar no sentido horário ou anti-horário buscando a posição de equilíbrio estável. Uma característica marcante do MRV é o perfil do conjugado produzido, pois, devido a sua estrutura de dupla saliência e às características do acionamento o mesmo apresenta aspecto oscilatório, o que resulta em oscilações de conjugado, vibração mecânica no eixo e alta densidade sonora dos ruídos acústicos. Neste sentido, investigações devem ser conduzidas para que o potencial energético desta máquina seja aproveitado em sua plenitude em aplicações industriais. Assim sendo, o objetivo principal da proposta é desenvolvimento de modelos matemáticos que possibilitem monitoramento, controle e diagnóstico em tempo real de máquinas a relutância variável operando como motor/gerador em ambientes de velocidades variáveis. As estratégias aplicadas devem ser robustas e precisas, sem, no entanto, apresentar peso computacional elevado, uma vez que deverão ser aplicadas em sistemas microcontrolados de baixo custo. Como motivação para o estudo dessa alternativa estão: avaliação de novas opções de conversores eletromecânicos para a produção de energia elétrica com vistas ao atendimento de comunidades isoladas e veículos autônomos com forte atuação em sistemas de tração elétrica; estudo de diferentes formas e acionamento para o gerador a relutância variável com otimização da geração; otimização dos circuitos conversores estáticos além dos sistemas de chaveamento dos ângulos de condução no intuito de otimizar a operação da máquina tanto como motor como gerador; otimização e ampliação das técnicas de controle digitais aplicados a conversores eletromecânicos; desenvolvimento de sistema inteligente contendo módulo de supervisão e controle de dados (SCADA), sistema de condicionamento e aquisição de dados, software embarcado e plataforma de instrumentação virtual gerencie essas informações e apresente diagnóstico sobre eficiência e condições de operação da máquina a relutância variável, tanto na configuração motora quanto geradora em diversas condições de operação; desenvolvimento de modelagem analítica da indutância a partir da geometria e propriedades eletromagnéticas da máquina a relutância variável, visando a obtenção de uma forma alternativa, rápida e simples de obter os parâmetros da máquina sem utilizar elementos finitos; desenvolvimento de ferramenta computacional para auxiliar no projeto de máquinas a relutância variável aplicando modelos analíticos; desenvolvimento de estimadores e observadores das grandezas elétricas e eletromagnéticas da máquina a relutância variável, tais como indutância, fluxo e conjugado, que possibilitem a aplicação de controles robustos sistemas embarcados de baixo custo operando em tempo real; desenvolvimento de plataforma experimental para ensaios práticos no intuito de verificar a eficiências dos estimadores e observadores de estado empregados.

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