Motores Síncronos de Relutância. Prof. Sebastião L. Nau, Dr. Eng. Set 2017

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1 Motores Síncronos de Relutância Prof. Sebastião L. Nau, Dr. Eng. Set 2017

2 Características construtivas PONTES ESTRUTURAIS BARREIRA DE FLUXO É um motor síncrono com estator igual ao de um motor de indução, com enrolamentos distribuídos. Na sua forma mais simples, possui um rotor composto apenas de lâminas de material ferromagnético, sem condutores (sem gaiola) e sem ímãs permanentes. As lâminas do rotor possuem barreiras de fluxo, que nada mais são do que espaços de ar, resultantes de retirada de material durante o processo de estampagem da lâmina. As barreiras criam uma anisotropia no rotor. O rotor é fragilizado pelas barreiras de fluxo, o que limita a rotação máxima. As pontes estruturais devem suportar os esforços mecânicos na rotação máxima, mas devem ser minimizadas, pois afetam negativamente o torque do motor. 1

3 Variações possíveis Rotor com barreiras de fluxo apenas Rotor com ímãs permanentes Rotor com gaiola de alumínio Rotor axialmente laminado Necessita inversor de frequência. Baixo fator de potência. Desempenho melhor do que o motor de indução em baixas rotações. Necessita inversor de frequência. Alto fator de potência. Desempenho superior ao motor de indução e ao motor puramente relutância. Não necessita inversor de frequência. Parte diretamente na rede. Baixo fator de potência. Desempenho equivalente ao motor de indução, porém síncrono. Necessita inversor de frequência. Baixo fator de potência. Desempenho pouco superior ao motor de indução, porém síncrono. Fabricação complexa.

4 Características de desempenho Necessita de um conversor de frequência com controle vetorial para partida e funcionamento estável. Apresenta fator de potência mais baixo do que os motores de indução, e por consequência, corrente mais alta (10 a 20%) Baixas perdas no rotor menor temperatura dos mancais Não possui perdas joule no rotor, portanto, apresenta melhor desempenho do que o motor de indução em baixas rotações. Entretando não alcança o desempenho dos motores com ímãs, para o mesmo volume de material ativo. O torque de relutância é proporcional à diferença Ld Lq. Relação de saliência: Ld/Lq quanto maior, maior o FP. (Ld Lq); (Ld/Lq); Trel FP 3

5 Vantagens e desvantagens Vantagens: Materiais e processos de fabricação similares aos do motor de indução; Ausência de ímãs permanentes no rotor: Não requer dispositivos especiais para montagem e desmontagem do rotor; Não há risco de desmagnetização; Maior faixa de rotações, pois não tem tensão gerada; Operação síncrona com controle vetorial; Menores perdas em baixas rotações do que o motor de indução; Desvantagens: Necessita de um inversor de frequência com controle vetorial para partida e funcionamento estável; Exceto em baixas velocidades, o desempenho não é superior ao dos motores de indução; Rotação máxima é limitada pela fragilidade do rotor imposta pelas barreiras de fluxo; Menor fator de potência do que os motores de indução; Maior corrente do que os motores de indução; Geralmente exige um drive com maior capacidade de corrente do que os motores de indução.

6 Princípio do torque de relutância Na figura há dois objetos ferromagnéticos (a e b) imersos em um campo mangético. O objeto b tem geometria isotrópica: nenhuma força é exercida sobre ele, pois ele não apresenta uma direção preferencial à passagem do fluxo magnético. O objeto a tem geometria anisotrópica, com diferentes relutâncias nos eixos d e q : uma força será exercida para alinhar o eixo d com o campo magnético, causando a rotação do objeto torque de relutância 5

7 Princípio de funcionamento do motor O torque é criado pela tendência do rotor em alinhar o seu eixo de menor relutância (eixo d) com o fluxo do estator. Eixo direto: caminho de menor relutância e maior indutância (Ld) Eixo em quadratura: caminho de maior relutância e menor indutância (Lq) Neste motor, Ld > Lq EIXO EM QUADRATURA EIXO DIRETO Se (Ld Lq) = 0 Trel = 0 Se g = 0 Trel = 0 Se g = 90 Trel = 0 Se g = 45 Trel = máximo 6

8 Eixos direto e em quadratura Eixo direto: Baixa relutância Elevada indutância (Ld) Susceptível à saturação Eixo em quadratura: Elevada relutância Baixa indutância (Lq) Pouco susceptível à saturação 7

9 Diagrama Fasorial jiqxq q jidxd V f I Ψ Iq LqIq g LdId d Id g : ângulo de avanço de corrente, ou ângulo de torque é o ângulo elétrico entre I e o eixo d f: ângulo elétrico entre V e I Ângulo f grande baixo fator de potência Para aumentar FP fazer Ld >>Lq 8

10 Fluxos de eixo direto e em quadratura O fluxo de eixo d aumenta rapidamente com a corrente, e apresenta saturação. O fluxo de eixo q aumenta quase linearmente com a corrente, e em proporção bem menor. 9

11 Indutâncias de eixo direto e em quadratura No exemplo acima, Ld apresenta grande variação em função de Id, uma vez que o eixo direto tem baixa relutância, portanto o fluxo é maior e atinge facilmente a saturação da chapa conforme a corrente aumenta. Lq apresenta uma variação menor com Iq, pois o eixo em quadratura apresenta alta relutância, portanto o fluxo é menor, saturando menos a chapa. Ld é predominantemente limitado pela saturação do estator, enquanto que Lq depende fortemente da geometria da chapa do rotor (p. ex., largura das pontes estruturais).

12 Indutâncias de eixo direto e em quadratura (Ld Lq); (Ld/Lq); Trel FP

13 Torque Idealmente, para qualquer valor de corrente: Trel = máx g = 45 Considerando a saturação, à medida em que a corrente aumenta: Trel = máx g > 45

14 Torque Isto ocorre porque, com g > 45, Id é reduzido, diminuindo a saturação no eixo direto, aumentando Ld. Além disso, mantendo-se a mesma corrente total, Iq aumenta, reduzindo um pouco Lq, e aumentando Ld-Lq. g Id & Iq T Trel