Estudo e desenvolvimento de metodologias não-intrusivas para estimação de rendimento de motores de indução trifásicos em operação

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Wengerkievicz, Carlos Alexandre Corrêa
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Engenharia elétrica
Motores elétricos de indução
Eficiência energética
Circuitos elétricos
Otimização
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/229319
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.
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spelling Estudo e desenvolvimento de metodologias não-intrusivas para estimação de rendimento de motores de indução trifásicos em operaçãoEngenharia elétricaMotores elétricos de induçãoEficiência energéticaCircuitos elétricosOtimizaçãoTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.Por representarem uma significativa parcela da demanda energética do setor industrial, sistemas motrizes baseados em motores de indução trifásicos (MITs) são alvos frequentes de ações de eficiência energética como, por exemplo, a substituição do motor por outro de maior rendimento. O estudo da viabilidade econômica destas ações requer a determinação do rendimento ou das perdas energéticas do motor em sua condição atual, através de procedimentos que podem envolver a interrupção ou a perturbação da operação da máquina. Um levantamento realizado nesta tese apontou que os métodos existentes para determinação do rendimento de MITs têm como principais fatores de intrusão a medição direta da resistência do estator e a alteração do carregamento mecânico para determinação das perdas em vazio. Por outro lado, métodos menos intrusivos propõem a estimação do rendimento por meio do circuito equivalente do MIT com valores de parâmetros determinados a partir de dados típicos fornecidos por fabricantes. Esta abordagem, no entanto, envolve dificuldades para a identificação precisa da resistência do enrolamento do estator e das perdas em vazio. Esta tese propõe aprimoramentos para a identificação dos valores de parâmetros do circuito equivalente de MITs a partir de dados típicos, de modo a viabilizar a estimação das perdas e do rendimento a partir de uma única medição de grandezas terminais da máquina sem perturbar sua operação. Os resultados de uma análise de sensibilidade das grandezas externas em relação aos parâmetros do circuito indicam que a perda total é a grandeza mais sensível às resistências do estator e de perdas no ferro, enquanto as demais grandezas externas são dominadas pela resistência do enrolamento do rotor e pela reatância de magnetização. Com base nesta constatação, um algoritmo de otimização é desenvolvido para identificar os valores dos parâmetros do circuito equivalente que correspondam aos valores de perdas totais, de corrente de linha, de potência ativa e de potência reativa fornecidos pelo fabricante em três níveis de carga. A resolução do problema de otimização é realizada com algoritmos genéticos e com o método de Levenberg-Marquardt. Adicionalmente, com o objetivo de aprimorar a predição do rendimento e das perdas em outras condições de carregamento, os valores da resistência do rotor e da reatância de magnetização são ajustados para corresponder a valores medidos de corrente e de potência, levando em conta aspectos metrológicos. Os resultados indicam que a inclusão das perdas na função objetivo, um aspecto previamente inédito, proporciona uma determinação mais precisa das resistências do enrolamento do estator e de perdas no ferro a partir dos dados de catálogo. O método de Levenberg-Marquardt demonstrou desempenho superior em termos de precisão em comparação com o algoritmo genético. Aplicada a dados obtidos em ensaios com sete motores, a metodologia desenvolvida resultou na estimação das perdas com desvios considerados aceitáveis. A principal limitação constatada é a dependência em relação à precisão dos dados de rendimento e de fator de potência fornecidos pelos fabricantes, que podem não corresponder ao comportamento real da máquina ou mesmo ser inconsistentes com o comportamento físico de motores de indução, impedindo o encontro de um conjunto de parâmetros adequados. Um método simplificado desenvolvido paralelamente permite a estimação das perdas do motor em operação a partir da simples medição do valor eficaz da corrente e de uma regressão linear de dados de catálogo. Em estudo complementar, desenvolveu-se uma nova metodologia experimental para a determinação de valores dos parâmetros do circuito equivalente de motores de indução de rotor maciço, que são empregados em aplicações de alta velocidade, suprindo assim uma lacuna identificada no levantamento bibliográfico.Abstract: Drive systems based on three-phase induction motors (TPIMs) correspond to a significant portion of the industrial energy demand. Therefore, these systems are frequently targeted in energy efficiency actions such as the replacement of the machine with a more eficiente one. The economic feasibility analysis of these actions requires the determination of the motor efficiency or of its energy losses in the current condition, which may require the interruption or the disturbance of the operation. A literature survey carried out in this thesis has pointed the stator resistance measurement and the load change for the determination of no-load losses as the main intrusion aspects of the existing methods for efficiency determination of TPIMs. On the other hand, in less intrusive methods, the efficiency is estimated thorugh the TPIM equivalent circuit, whose parameter values are identified from manufacturer data. However, this approach involves difficulties especially for the precise identification of the stator resistance and of the no-load losses. This thesis proposes improvements for the identification of the TPIM equivalent circuit parameter values from manufacturer data, in order to enable the estimation of the efficiency and of the losses from a single measurement of terminal quantities without disturbing the operation. The results of a sensitivity analysis of external quantities with regard to the equivalent circuit parameters indicate that the total loss is the quantity most sensitive to the stator resistance and to the no-load losses, while the remaining quantities are dominated by the rotor winding resistance and by the magnetizing reactance. Based on that finding, an optimization algorithm is developed to identify equivalent circuit parameter values that match the values of total losses, line current, input power and reactive power provided by manufacturers in three load levels. The optimization is performed both with genetic algorithms and with the Levenberg-Marquardt method. Additionally, in order to improve the losses prediction in other load conditions, the rotor resistance and the magnetizing reactance are adjusted to match the measured values of line current and input power, taking into account metrological aspects. The results indicate that the inclusion of the losses in the objective function, a previously unreported aspect, provides a more accurate determination of the stator winding resistance and of the no-load losses from manufacturer data. The Levenberg-Marquardt method has demonstrated a superior performance in terms of precision compared to the genetic algorithm. When applied to experimental data obtained during tests with seven motors, the developed methodology resulted in acceptable deviations of the estimated losses. The main limitation of the proposed method was verified to be the dependence on the precision of the efficiency and power factor data provided by the manufacturers, which may not correspond to the actual behavior of the machine and may even be inconsistent with the physical behavior of induction motors, preventing the identification of an adequate set of parameters. A simplified method developed in parallel allows the losses estimation of the running motor from a single current measurement and a linear fit of typical data. Furthermore, a novel experimental methodology was developed to determine the equivalent circuit parameter values of solid rotor induction motors, used in high-speed applications, filling a gap identified in the literature survey.Batistela, Nelson JhoeSadowski, NelsonUniversidade Federal de Santa CatarinaWengerkievicz, Carlos Alexandre Corrêa2021-10-14T19:32:11Z2021-10-14T19:32:11Z2021info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis249 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf373259https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/229319porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-10-14T19:32:11Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/229319Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-10-14T19:32:11Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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