UM ESTUDO SOBRE A MÁQUINA A RELUTÂNCIA VARIÁVEL OPERANDO COMO GERADOR AUTO-EXCITADO

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1 UM ESTUDO SOBRE A MÁQUINA A RELUTÂNCIA VARIÁVEL OPERANDO COMO GERADOR AUTO-EXCITADO V. R. Bernardeli, D. A. Andrade, A. W. F. V. Silveira, L. C. Gomes, G. P. Viajante, M.A.A.Freitas*. Laboratório de Acionamentos Elétricos da Universidade Federal de Uberlândia Campus Santa Mônica, Uberlândia MG, Brasil eng.vitao@gmail.com, darizon@ufu.br *Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás Resumo - Neste artigo é apresentado um estudo sobre o comportamento do gerador a relutância variável autoexcitado (GRVA). Em um primeiro momento foi feito um levantamento bibliográfico no âmbito nacional e internacional das literaturas sobre o GRVA. Em seguida é feito um estudo sobre a análise dinâmica da máquina a relutância variável trabalhando como auto-excitada. O artigo explora uma estratégia para utilizar a máquina como auto-excitada: Capacitor carregado com uma tensão inicial em paralelo com a carga. A representação por diagrama de blocos do GRVA é apresentada. O conjunto completo é simulado utilizando o ambiente MatLab/Simulink. Palavras-Chave Gerador a relutância variável, autoexcitado, capacitor carregado SELF-EXCITED SWITCHED RELUCTANCE GENERATOR Abstract - This paper presents a study on the behavior of the self-excited switched reluctance generator (SSRG). In first moment a bibliographic review in national and international literature about SSRGS was done. Next, were realized, through the simulation, analysis of the dynamic in a self-excited switched reluctance generator. A capacitor loaded, with initial voltage, in parallel with the load was used as a strategy for the initial excitation of the machine. A block diagram representing the SSRG is showed. The SSRG and his converter are simulated using MATLAB/SIMULINK. Keywords - Self-Excited Generator, Switched Reluctance Machine. 1 mecânica em elétrica (gerador). A mudança de modo de operação se dá de forma muito simples bastando para tanto controlar a condução de corrente nas fases, apropriadamente sincronizada com variação das respectivas indutâncias, o que ocorre como função da posição rotórica. O gerador à relutância variável (GRV) destaca-se por sua robustez, baixo custo de produção e manutenção, alta confiabilidade [1], e inerente adequação a sistemas que operam com velocidades variáveis, se comparado a outros tipos de geradores como, por exemplo, o gerador síncrono imã permanente (GSIP)[18][19][2]. Nesta proposta o foco é na operação da máquina a relutância variável como gerador auto-excitado. Trabalhos anteriores desenvolvidos por esse grupo proponente da pesquisa e outros pesquisadores [1][2][3][5][6][12][13] já demonstraram a eficácia da operação dessa máquina como gerador excitado por fontes externas de energia elétrica. As aplicações potenciais são, a exemplo dos geradores autoexcitados tradicionais, em locais isolados sem atendimento de redes de energia elétrica, em veículos autônomos tais como aeronaves, veículos marítimos e terrestres. Construtivamente conforme pode ser observado na figura 1, o GRV possui pólos salientes tanto no estator quanto no rotor sendo esta, uma particularidade deste tipo de máquina. Observa-se também a disposição do enrolamento de uma das fases da máquina, que é do tipo concentrado. Esse aspecto leva a interações magnéticas onde o acoplamento mútuo entre as fases da máquina são praticamente desprezíveis ou inexistentes, com reflexos positivos no acionamento e controle da operação da máquina. I. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, os sistemas de acionamento de máquinas elétricas evoluíram de forma rápida, apresentando significativos avanços em eficiência e controlabilidade. Neste contexto, novos tipos máquinas elétricas passaram a fazer parte do conjunto de alternativas disponíveis. Neste meio se encontram as máquinas à relutância variável (MRV). A exemplo de outros conversores eletromecânicos tradicionais, a máquina a relutância variável pode operar com fluxo bidirecional de energia, isto é, convertendo energia elétrica em mecânica (motor) ou convertendo energia Fig Perfil transversal do gerador a relutância variável 6/4.

2 II. ESTADO DA ARTE A máquina a relutância variável compete com as máquinas AC tradicionais em aplicações que envolvem velocidades variáveis, seja operando como motor ou como gerador. Por exemplo, a energização das fases da máquina a relutância variável é realizada por fase sucessivamente gerando assim mais confiabilidade no que diz respeito a tolerância a falta de fase, quando uma fase é desligada as outras continuam gerando independentemente. Esta característica oferece uma grande vantagem das máquinas convencionais, quando usada como gerador [1]. No entanto, o primeiro problema encontrado para utilizar a máquina com gerador é que a máquina é completamente inerentemente passiva e não tem a capacidade de auto-excitar necessitando assim de uma fonte de potência para excitação, como consequência disso a um aumento da sua complexidade e diminuição da sua confiabilidade. Existem dois tipos de estratégia para excitar o GRV, conforme mostrado no diagrama de blocos da figura 2, a primeira consiste em colocar uma fonte de corrente contínua com uma tensão fixa [6] e a outra consiste em estratégia de auto-excitação. A primeira estratégia para propiciar a auto-excitação consiste em adicionar imã permanente na máquina durante o processo de fabricação. Os projetistas inserem imãs permanentes no núcleo do estator de tal forma que este imã cria um fluxo magnético e excita a máquina [2],[3]. Esta estratégia gera alguns problemas, sendo que o principal deles é que dependendo da velocidade da máquina primária que aciona o gerador o fluxo magnético do imã permanente não consegue excitá-lo. A segunda opção para iniciar o processo de auto-excitação do GRV é apresentada por [1],[4] que consiste em colocar o capacitor carregado com uma tensão inicial em série com a carga, conforme pode ser visto na figura 3, sendo assim o circuito entra em resonância gerando correntes e tensões alternadas (AC). R f Fig. 3. Circuito do GRV representando uma fase, estratégia de excitação fase com capacitor em série com a carga. Fig. 4. Circuito do GRV representando uma fase, estratégia de excitação fase com capacitor em paralelo com a carga. A terceira estratégia de excitação do gerador, apresentada no presente projeto, é adicionar um capacitor carregado em paralelo com a carga, conforme pode ser visto na figura 4. Este tipo de estratégia gera uma grande vantagem em relação à colocação dos imãs permanentes, que é o de não precisar alterar os parâmetros de projeto da máquina e também pode ser utilizado em qualquer máquina. O presente artigo apresenta uma proposta de estudo da operação da máquina a relutância variável operando como gerador auto-excitado. Para tanto é proposto a utilização de um capacitor carregado com uma tensão inicial para prover a excitação inicial da máquina. R f e e III. ANÁLISE DINÂMICA DO GRVA A operação dinâmica do gerador no modo auto-excitado começa na modelagem do conversor utilizado, a figura 5 mostra o conversor do tipo Half-Bridge (HB), carga, capacitor e enrolamentos das fases A, B e C. A seguir será feita uma breve descrição da operação de cada etapa do conversor que se pretende utilizar no artigo. A figura 5 mostra também o capacitor em paralelo com a carga. Fig. 2. Diagrama de classificação dos principais métodos de excitação para o GRVA.

3 C S 3 D4 D6 A B C Fig. 5. : Estrutura do conversor Half-Bridge aplicado ao GRV. Etapa 1 [-t ] Excitação inicial, com capacitor carregado com uma tensão inicial Nesta etapa o capacitor C é carregado com uma tensão inicial V o, conforme mostra a figura 6, esta tensão é responsável por gerar o fluxo magnético inicial no enrolamento da máquina através da corrente I 1, sendo que nesta etapa o processo de excitação é iniciado com a fase A. Este caminho é visto pela figura e está em negrito, onde a chave e estão fechadas. Observa-se também que parte da corrente I 1 irá para a fase A I f (etapa de excitação) e parte da corrente vai para a carga I carga. C D D 4 6 Fig. 6. Etapa 1: Excitação da fase A do gerador. Etapa 2 [-t] Geração da fase A Nesta etapa as chaves 1 e 2 são abertas de modo que a energia armazenada no enrolamento da fase através da excitação e do processo de conversão mecânica/elétrica. Esta corrente I fase conforme pode ser observado pela figura 7, parte dela é entregue à carga (I carga ) e a outra parte da corrente carrega o capacitor I1. Necessidade de utilização de uma fonte externa para excitação inicial da máquina, sendo que esta energia pode ser provinda de uma fonte alimentada, como por exemplo bateria; Para uma máquina a relutância variável de três fases (6/4) existem 6 etapas para a máquina operar no modo autoexcitado; A grande vantagem neste método é que não necessita a máquina estar ligada a rede elétrica para o processo de excitação; IV. RESULTADOS OBTIDOS COM SIMULAÇÃO DIGITAL O programa Matlab/Simulink foi usado para desenvolver a simulação de uma máquina a relutância 6/4 operando como gerador, os primeiro resultados obtidos com a máquina relutância como gerador no laboratório foram obtidos por [6]. O conversor usado para acionar o GRVA é do tipo HB, mostrado na figura 5 que é comumente utilizado para acionar o motor, sendo que todas as etapas foram mostradas anteriormente. A simulação foi baseada em um protótipo real, com seis saliências no estator e quatro no rotor (6/4), construído para testes em bancada experimental. Portanto os parâmetros, perfil de indutância, limites de corrente, foram ajustados para representar a máquina. O protótipo já existente foi simulado com um conversor HB, com alterações para permitir que a máquina trabalhe no modo auto-excitado. Foi utilizado um capacitor com tensão inicial de 4 V, e o GRV sendo acionado a uma velocidade de 36 rpm. Os primeiros resultados obtidos com o GRVA foram definidos da seguinte forma: Gerador está operando em malhar aberta, ou seja não existe controle de tensão na carga; Não existe transitório de velocidade da máquina primária, sendo esta fixada em 36 rpm; A carga foi fixada com um valor de 4 Ω, puramente resistiva e posteriormente foi feito um transitório de carga de 4 Ω para 2 Ω; No modelo matemático do gerador é levado em consideração a saturação magnética [16]; 3 C S 3 Tensão na carga [Volts] D4 D6 Corrente [A] Fig. 7. Etapa 2: Geração da fase A. As etapas 3, 4, 5 e 6 não serão mostradas no artigo visto que elas são análogas as etapas 1 e 2 para as fases B e C. Com este estudo dinâmico é possível listar algumas características do gerador autoexcitado: Fig. 8. Tensão e corrente na carga

4 V. CONCLUSÃO Corrente s fase A, B e C Corrente no capacitor Tensão nas fases A, B e C Fig. 9. Correntes nas fases a) Fig. 1. a) Corrente no capacitor, b) Tensão nas fases A, B e C Com todas essas informações foram obtidos alguns dados da simulação que serão importantes para implementação do sistema. A figura 8(a) mostra a tensão gerada na carga, esta tensão ficou em torno de 275 volts posteriormente no instante de 2 segundos a carga foi diminuída para 2 Ω e a tensão foi para 117 volts mostrando que o gerador conseguiu suprir a carga instalada. Essa tensão conforme pode ser visto na figura é uma tensão contínua, porém pulsada visto que isto é uma característica inerente deste tipo de máquina. A figura 8(b) mostra a corrente na carga também pulsada, sendo que esta ficou em torno de 6,9 A para a carga de 4 Ω e 5,8 A para a carga de 2 Ω. No instante inicial segundos até aproximadamente 1 segundo que corresponde o transitório de partida o gerador conseguiu estabilizar satisfatoriamente, no instante 2 segundos onde ocorre o transitório de carga a corrente do gerador atinge um pico de 14 A e a tensão do gerador começa a cair no instante 2,5 segundos e o gerador chega em regime permanente. Este problema de transitório de tensão na carga surge devido o sistema de geração não possuir um controle de tensão na carga. Este controle já foi feito por [13] para o gerador excitado com fonte independente de energia, e será apresentado para GRVA em outro artigo a ser publicado posteriormente nesta conferência. b) Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o comportamento do gerador a relutância variável autoexcitado. Foram feitos estudos sobre os diferentes tipos de excitação da máquina e percebe-se um forte apelo da comunidade científica sobre o assunto. O artigo explora a estratégia de adicionar um capacitor carregado com uma tensão inicial para permitir a primeira excitação da máquina e após este período a máquina torna-se autônoma. Foi mostrado a análise dinâmica do conversor utilizado desde o transitório até em regime permanente. Resultados de simulação utilizando o ambiente MatLab/Simulink também foram obtidos a fim iniciar os estudos sobre o tópico e também mostrar que é possível utilizar este tipo de máquina para operação autoexcitada. Finalmente resultados experimentais serão incluídos na versão final a fim de validar os resultados de simulação. AGRADECIMENTOS Agradecemos à FAPEMIG e a CAPES pelo apoio financeiro, e à Universidade Federal de Uberlândia pela infra-estrutura disponibilizada. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] N. Radimov, N. Ben-Hail, R. Rabinovici Switched Reluctance Machines as Three-Phase AC Autonomous Generator, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 42, no. 11, pp , November 26. [2] T. Matsuo, J. Luo, E. P. Hoffman, T. A. Lipo N. Radimov, N. Ben-Hail, R. Rabinovici Self Excited Variable Reluctance Generator, IEEE Industry Application Society, New Orleans, Louisiana, October 5-9, [3] V. Nedic, T. A. Lipo Experimental Verification of Induced Voltage Self-Excitation of a Switched Reluctance Generator, IEEE Industry Application Conference, Roma, Italy, October 8-12, 2. [4] H. Chen, J. J. Gu Implementation of the Three-Phase Switched Reluctance Machine System for Motors and Generators IEEE Transactions on Mechatronics, vol. 15, no. 3, pp , June 21. [5] A. Martínez, J. Vina, F. Perez, E. Laloya, B. Martín, T. Pollán, B. Sánchez, J. Laladó Steady-State Behavior of an AC Autonomous Switched Reluctance Generator, IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC, Rhodes, June 15-19, 28. [6] A. Martinez, et. al., Use of an AC self-excited switched reluctance generator as a battery charger 13th IEEE- PEMC, 28. [7] C. G. C. Neves, N. Sadowski, Y. Lefevre, R. Carlson Modelagem dos Ambientes Eletromagnético e Mecânico do Motor de Relutância Chaveado Eletrônica de Potência, Vol. 2, No.1., [8] L. L. N. dos Reis, A. A. R. Coelho, O. M. Almeida, R. N. C. Almeida, Modeling and control of switched reluctance motor drives based on set point relay Eletrônica de Potência, Vol. 13, No.3., 28.

5 [9] L. O. A. P. Henriques, L. G. B. Rolim, W. I. Suemitsu, P. J. C. Branco, Uma revisão das estratégias de redução de ondulações de conjugado no motor de relutância chaveado Eletrônica de Potência, Vol. 8, no. 1, 23. [1] P. P. Paula, W. M. da Silva, J. R. Cardoso, S. I. Nabeta Simulação do Desempenho de Motores e Geradores de Relutância Chaveados Eletrônica de Potência, Vol. 8, No.2., 23. [11] A. V. S. Fleury, F. S. Silva; W. R. H. Araújo, D.A. Andrade, A. W. F. V. Silveira Reduced switch count converter for switched reluctance generators Eletrônica de Potência, Vol. 13, no. 3, Agosto 28. [12] A. W. F. V. Silveira, D.A. Andrade, L. C. Gomes, C. A. Bissochi Jr, H. de Paula "Generated voltage control in a switched reluctance motor/generator" Eletrônica de Potência, Vol. 15, No.3., 21. [13] G. G. Sotelo, M. R. Ribeiro, M. El-Mann, L. G. B. Rolim, J. L. da Silva Neto Dynamic non-lnear model of a Switched Reluctance Machine for operation as motor/generator Eletrônica de Potência, Vol. 15, No.1., 21. [14] T. J. E. Miller, Electronic Control f Switched Reluctance Machines, Newness Power Engineering Series, Oxford, 21. [15] Andrade, D. A., Krishnan, R. "Characterization of Switched Reluctance Machines Using Fourier Series Approach" in Proc. 36th IEEE Ind. Appl. Annu. Meeting, Sep. 21, pp [16] Ding, W., Liang, D., "A Fast Analytical Model for an Integrated Switched Reluctance Starter/Generator", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 25 no. 4, December 21. [17] W. Cai, Comparison and review of electric machines for integrated starter alternator applications, IEEE-IAS, [18] 24. [19] P. Zhang, S. S. Williamson, Recent status and future prospects of integrated starter-generator based hybrid electric vehicles IEEE-VPPC, 28. [2] J. G. W. West, DC, induction, reluctance and PM motors for electric vehicles Power Engineering Journal, Vol. 8, Issue: 2, Parâmetros Ângulo de Condução Atrito Viscoso Culatra do Estator Culatra Rotor ANEXO Tabela I Características da MRV Comprimento da pilha laminada Dentes do Estator Dentes do Rotor Diâmetro do Estator Diâmetro do Rotor Gap de Ar Indutância (posição alinhada) Indutância (posição desalinhada) Largura dos dentes do Estator Largura dos dentes do Rotor Valor 3 graus.26 N.m.s 12 mm 12,4 mm 17 mm 22,5 mm 11,7 mm 14 mm 7 mm,4 mm 36 mh 3 mh 19 mm 2 mm Momento de Inércia,28 kg.m 2 Número de espiras por fase 1 volta/fase