COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DOS PONTOS DE OPERAÇÃO DE UMA MÁQUINA DE INDUÇÃO EM CASCATA DE DUPLA ALIMENTAÇÃO

Transcrição

1 COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DOS PONTOS DE OPERAÇÃO DE UMA MÁQUINA DE INDUÇÃO EM CASCATA DE DUPLA ALIMENTAÇÃO DANILO B. LIMA, FELLIPE LESSA, ANTONIO C. FERREIRA, RICHARD M. STEPHAN Laboratório de Máquinas/DEE/UFRJ Centro de Tecnologia, Cidade Universitária CEP: , Rio de Janeiro - RJ, Brasil s: ferreira@coep.ufrj.br, richard@coe.ufrj.br, daniloblima@gmail.com, fellipelessa@gmail.com Abstract The Doubly Fed Cascaded Induction Machine emulates, in a simpler manner, the construction of a Brushless Doubly Fed Induction Machine. These machines will be able to successfully substitute, with maintenance advantages, the Doubly Fed Induction Machines in variable speed generating systems. This paper summarizes the operating points of a Doubly Fed Cascaded Induction Machine and present experimental results of some of these points, confirming the validity of the proposition. Keywords Cascade connection, brushless doubly-fed machine, variable speed drive, variable speed applications. Resumo A Máquina de Indução em Cascata de Dupla Alimentação reproduz, de forma simplificada, a construção de uma Máquina de Indução de Dupla Alimentação Sem Escovas. Estas máquinas poderão substituir, com vantagens de manutenção, as Máquinas de Indução de Dupla Alimentação em sistemas de geração com velocidade variável. Esse artigo faz uma síntese dos pontos de operação da Máquina de Indução em Cascata de Dupla Alimentação e apresenta resultados experimentais de alguns desses pontos, comprovando a validade da proposta. Palavras-chave Conexão em cascata, máquina de dupla alimentação sem escovas, drive de velocidade variável, aplicações de velocidade variável. 1 Introdução A Máquina de Indução em Cascata de Dupla A- limentação (MICDA) foi proposta no início do século XX, onde os trabalhos de Siemens e Lydall (1902) e Hunt (1907) podem ser considerados como seus pilares de desenvolvimento. A MICDA consiste em duas máquinas de indução de rotor bobinado de 2p e 2q pólos, respectivamente, com enrolamentos independentes no estator e com os rotores acoplados eletricamente e mecanicamente (Figura 1). Os estatores são alimentados por duas fontes independentes com diferentes tensões e freqüências (f 1, f 2 ). Esta máquina evoluiu para a Máquina de Indução de Dupla Alimentação Sem Escovas (MIDAS), conhecida na literatura em inglês como BDFIM. Este desenvolvimento encontra-se historicamente retratado em Broadway e Burbridge (1970), Creedy (1921) e Smith (1969). O estudo da MIDAS reveste-se de grande importância, pois seu comportamento apresenta similaridade com o do Motor de Indução de Dupla Alimentação (MIDA ou DFIM em inglês), a máquina mundialmente mais empregada nos geradores eólicos [Hansen et al. (2009)], sendo uma potencial substituta nesta e em outras aplicações como: aplicações de alto torque, como trituradores de carro [Runcos et al. (2006)] ou aplicações de velocidade variável, como bombas centrífugas. Estratégias de controle para essa máquina são apresentadas por Lima (2009). Uma vez que o defeito mais freqüente nestes geradores está associado às escovas, a MIDAS apresenta-se como uma alternativa atraente. No entanto, percebe-se a necessidade de mais estudos sobre o comportamento desta máquina. Em vista disso e considerando a importância de uma base sólida de conhecimento para qualquer melhoria técnica, os autores deste trabalho se propuseram a aprofundar o domínio da operação da MICDA. Em trabalho recente, as bases teóricas explicando os pontos de operação desta máquina foram apresentadas [Ferreira et al. (2009)]. Outras fontes [Silva (2009)] também apresentam estudos sobre a modelagem da MICDA. No presente artigo, serão descritos resultados experimentais com a finalidade de corroborar a teoria anteriormente exposta, operando a máquina como motor ou gerador. Figura 1. Máquina de Indução em Cascata de Dupla Alimentação 2.1. Pontos de operação 2 Princípios Teóricos Considerando uma máquina de indução genérica alimentada com uma freqüência f 1 e p pares de pólos, podem-se definir os três modos de operação de uma máquina de indução: Motor: os sentidos dos campos de estator e rotor e a rotação mecânica são os mesmos. Dessa forma, a freqüência elétrica angular do rotor é 2 Gerador: os sentidos dos campos de estator e rotor são contrários e a rotação mecânica tem o mesmo sentido do campo do estator. Dessa forma, a freqüência elétrica angular do rotor é

2 Plugging: os sentidos dos campos de estator e rotor são iguais e a rotação mecânica está em sentido contrário. Assim, a freqüência elétrica angular do rotor é igual a 2 Para qualquer ponto de operação estável da MICDA, as seguintes condições devem ser atendidas com relação às ligações do rotor: Mesma seqüência de fases Mesma freqüência elétrica angular rotórica (ω 1r = ω 2r ) Mesma velocidade mecânica (ω r ) As velocidades síncronas de cada uma das máquinas da Figura 1 é:, (1) Para uma mesma velocidade mecânica, as freqüências elétricas angulares das tensões e correntes nos rotores são: 2 (2) 2 (3) O sentido de rotação do fluxo magnético estabelecido em cada máquina depende da seqüência de fases de alimentação. Esse sentido é indicado pelas setas na Figura 2. Considerando que as máquinas são construídas da mesma maneira, diferenciando-se apenas pela potência nominal e pelo número de pólos, quando operando como motor ou gerador elas devem ser alimentadas com seqüência de fases invertida para possibilitar a conexão elétrica entre rotores (i.e. ao conectá-las frontalmente). Quando uma das máquinas está no modo plugging, a seqüência de fases é a mesma. Dependendo do modo de operação das máquinas, faz-se necessária a transposição das conexões entre os rotores, como mostrado na Figura 2. Exemplificando o caso em que uma das máquinas funciona como motor e a outra como gerador. Estabelecendo que ω 1r =ω 2r, segue que: Resolvendo para ω r : 2 2 (4) Figura 2. Pontos de operação da MICDA A Figura 2 mostra as velocidades mecânicas resultantes ao considerarmos as outras possibilidades de funcionamento. Como a máquina principal é ligada diretamente à rede elétrica, não existe nenhum interesse prático os casos em que esta funciona no modo plugging (seqüência de fases invertida). Os pontos de operação podem ser divididos em dois grupos. Para o primeiro grupo, com fundo branco: A conexão dos rotores é não-transposta Quando f 2 = 0, a velocidade mecânica é dada por Para o segundo grupo, com fundo cinza: A conexão dos rotores é transposta Quando f 2 = 0, a velocidade mecânica é dada por Uma comparação com a velocidade síncrona da máquina principal, ressaltando as possibilidades de controle da velocidade mecânica alterando a magnitude e a seqüência de fases de f 2, é mostrada na Figura 3. (5) 4305

3 ou carga é feito através do controle das tensões de campo e armadura. A Figura 5 mostra as duas máquinas de indução na configuração em cascata, bem como os medidores e controles de tensão. Figura 3. Possibilidades de controle de velocidade para a MICDDA. Aij remete à linha i, coluna j na matriz da Figura 2 3 Bancada Experimental Figura 5. Bancada experimental para a MICDA A Figura 6 mostra o grupo CC- GS usado para gerar tensão na freqüência desejada. A bancada experimental consiste em duas máquinas de indução de rotor bobinado de 370 W cada uma. Como as máquinas têm ponta de eixo simples, elas estão mecanicamente acopladas frontalmente. A conexão elétrica entre rotores é feita externamente, possibilitando a alteração da interligação entre eles e alterando, conseqüentemente, sua velocidade síncrona natural. Figura 4. Máquina de Indução em Cascata de Dupla Alimentação da bancada experimental A máquina de 6 pólos (máquina 1) representa a máquina principal, que é ligada diretamente à rede. A máquina de 4 pólos (máquina 2) representa a máquina de controle. Atualmente, a máquina 2 é alimentada com freqüência variável a partir de um grupo gerador composto de uma máquina de corrente contínua e um gerador síncrono. Entretanto um conversor bidirecional em potência (back-to-back) está em desenvolvimento para substituir este grupo, possibilitando, futuramente, a implementação dos controles conhecidos para as máquinas de indução de dupla alimentação. Como mostra a Figura 4, a MICDA está acoplada, por meio de uma correia, a uma máquina de corrente contínua de excitação independente que pode atuar tanto como turbina quanto como carga. O comportamento da máquina de corrente contínua como turbina Figura 6. Grupo CC GS Os equipamentos de medição consistem em um osciloscópio TPS 2012 da Tektronix com armazenamento digital de sinais para a aquisição de correntes nas máquinas; pontas de prova de tensão e de corrente (efeito Hall); e um encoder incremental modelo E3A1A 1024 TTL da marca S&E ligado à máquina de corrente contínua para a medição de velocidade da MICDA. 4 Resultados Experimentais Uma vez que ainda não foi desenvolvido o sistema de partida e sincronização automáticas da MICDA, este procedimento tem sido efetuado com o auxílio da máquina de corrente contínua. Deste modo, a máquina de corrente contínua é utilizada para levar o conjunto à velocidade de operação desejada. Uma vez atingida esta velocidade, eleva-se gradativamente as tensões nos estatores de cada uma das máquinas. Este procedimento se faz necessário para que os campos girantes induzidos nos rotores possam entrar em sincronismo. 4306

4 Para a confirmação da teoria apresentada na seção 2 e da tabela da Figura 2, três pontos de operação distintos foram escolhidos para a experimentação: A12, A22 e A31. O primeiro ponto de operação foi o ponto A12, feito com ambas as máquinas alimentadas com 60 Hz através da rede elétrica, a máquina 1 com seqüência positiva e a máquina 2 com seqüência negativa. A conexão dos rotores é não-transposta. De acordo com Ferreira et al. (2009), a velocidade mecânica esperada da MICDA é 1440 rpm. A Figura 7 mostra as correntes instantâneas amostradas dos estatores das duas máquinas e a corrente no rotor medidas pelas pontas de prova e reconstruídas ponto a ponto por MATLAB. Figura 8. Corrente no rotor e velocidade da MICDA Figura 7. Correntes nos estatores de cada máquina e no rotor para a velocidade mecânica de 1440 rpm Observando a Figura 7, pode-se perceber a presença de ruídos, que são inerentes ao equipamento de baixa precisão. A freqüência elétrica da corrente no rotor é dada por, onde e são os escorregamentos das máquinas 1 e 2, respectivamente. Para o ponto de operação analisado, esperada é de 12 Hz (período de aproximadamente 83 ms), o que pode ser comprovado pela Figura 7. Uma vez atingido este ponto de operação, variou-se o torque aplicado ao eixo através da tensão de armadura da máquina de corrente contínua, fazendo-a atuar como turbina para a MICDA. Este teste é feito para validar seu comportamento síncrono, independente de sua operação: seja como motor ou como gerador. Espera-se, dessa forma, que as correntes nas máquinas se alterem, pois o torque no seu eixo é modificado, mas que a velocidade mecânica continue a mesma. A Figura 8, Figura 9 e Figura 10 comprovam esse resultado esperado, pois se nota que as correntes no rotor, estator da máquina 1 e estator da máquina 2 variam, devido à mudança na potência mecânica, e a velocidade da MICDA continua num valor próximo de 1440 rpm, sujeito somente às variações de freqüência da rede. O torque foi aplicado em t 10 s e foi retirado em t 31 s. Figura 9. Corrente do estator da máquina 1 e velocidade da MICDA Figura 10. Corrente do estator da máquina 2 e velocidade da MICDA O segundo ponto de operação, A22, obtido com a máquina 1 alimentada com 60 Hz de seqüência positiva da rede elétrica e a máquina 2 com 37 Hz de seqüência positiva a partir do grupo CC - GS, com a conexão dos rotores não-transposta. A velocidade mecânica esperada da MICDA é 276 rpm. 4307

5 previsão de velocidades da Máquina de Indução em Cascata de Dupla Alimentação (MICDA) bem como seu comportamento síncrono. Trabalhos futuros visam a comprovação da teoria sobre os fluxos de potência envolvidos na MICDA, expostos em Ferreira et al. (2009). Agradecimentos Ao CNPq, FAPERJ e FINEP pelo apoio financeiro. Figura 11. Correntes nos estatores de cada máquina e no rotor para a velocidade mecânica de 276 rpm Para o ponto de operação analisado, esperada é de 46 Hz (período de aproximadamente 21 ms), o que pode ser comprovado pela Figura 11. Ao variar o torque aplicado no eixo da MICDA, notou-se o mesmo comportamento apresentado para o primeiro ponto de operação. Por essa razão optouse por não incluir novamente os gráficos de corrente nos estatores e no rotor. O terceiro ponto de operação testado, A31, foi obtido com a máquina 1 novamente alimentada com 60 Hz de seqüência positiva da rede elétrica e a máquina 2 com 32 Hz de seqüência negativa a partir do grupo CC - GS, com a conexão dos rotores transposta. A velocidade mecânica esperada da MICDA é 1680 rpm. Figura 12. Correntes nos estatores de cada máquina e no rotor para a velocidade mecânica de 1680 rpm Para o ponto de operação analisado, esperada é de 24.5 Hz (período de aproximadamente 41 ms), o que pode ser comprovado pela Figura 12. Mais uma vez, variando-se torque aplicado à MICDA, o comportamento mostrou-se similar aos dois casos anteriores. Referências Bibliográficas Broadway, A. R. W., Burbridge, L Selfcascaded machine: a low-speed motor or highfrequency brushless alternator. Proceedings Institution of Electrical Engineers, vol. 117, pp Creedy, F Some developments in multi-speed cascade induction motors. Journal Institution of Electrical Engineers, vol. 59, pp Ferreira, A.C., Stephan, R.M., Lima, D.B., Lessa, F Operation Points of a Doubly-fed Cascaded Induction Machine. 10º Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência. Hansen, A. D., & Hansen, L. H. Março Turbinas eólicas: As principais tecnologias e sua participação no mercado. Revista Eletricidade Moderna, pp Hunt, L. J A new type of induction motor. Journal Institution of Electrical Engineers, Journal, pp Lima, F. K. A. Maio, Aerogerador Baseado em Máquina de Indução Duplamente Alimentada - Suportabilidade para Afundamento de Tensão. Tese de Doutorado. UFRJ, COPPE. Runcos, F. et al Julho New Electric Drive for Car Shredder. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Vol. 3, Siemens Brothers & Co. Ltd. and Francis Lydall. July Improvements in poly phase induction motors. British Patent No.: Silva, J. N. B. Setembro, Modelagem e Simulação da Máquina de Indução de Dupla Alimentação em Cascata Sem Escovas. Dissertação de Mestrado. UFRJ, COPPE. Smith, B. H. Agosto Variable speed twin stator induction machine. Electrical Times, pp Conclusão A partir dos resultados obtidos com os experimentos, pôde-se ratificar a validade da teoria para a 4308