Motores de Relutância Chaveados

Máquinas Elétricas Especiais Motores de Relutância Chaveados Switched Reluctance Motors Prof. Sebastião Lauro Nau, Dr. Eng. Set 2017 1

Definição - São também chamados de motores de relutância variável. - Uma máquina de relutância é uma máquina na qual o torque é produzido pela tendência de sua parte móvel mover-se para uma posição onde a indutância do enrolamento excitado é máxima. - Esta definição cobre tanto as máquinas síncronas de relutância (MSR) como as máquinas de relutância chaveadas (MRC). - Entretanto, estas duas máquinas são muito diferentes: Motor síncrono de relutância Motor de relutância chaveado 2

MSR x MRC Motor Síncrono de Relutância - É uma máquina CA com distribuição rotativa de FMM. - O estator é igual ao dos motores de indução, com ranhuras de pequena abertura. - O rotor é projetado para maximizar a relação de saliência Xd/Xq. - O estator tem enrolamento polifásico com distribuição aproximadamente senoidal de ampères-condutores. - A excitação é um conjunto de correntes polifásicas senoidais balanceadas. - A indutância própria de fase tem variação senoidal com a posição do rotor, e idealmente não deveria variar com a corrente. Motor de Relutância Chaveado - É uma máquina CC pulsante, com uma distribuição estacionária de FMM que é comutada de uma fase para a outra. - Estator e rotor têm polos salientes. - O estator possui bobinas enroladas uma sobre cada polo (dente do estator). - A excitação é uma seqüência de pulsos de corrente aplicada em cada fase por vez. - À medida que o rotor gira, o enlace de fluxo de fase deve idealmente apresentar uma forma de onda triangular independente da corrente. - Apresenta ripples de torque (podem ser minimizados através de técnicas avançadas de controle) - Alto rendimento. - Pode funcionar em altas velocidades. 3

Características Gerais - Os motores de relutância, em uma forma primitiva, foram desenvolvidos nos anos 1800. - Não possuem ímãs é uma vantagem (custo) e uma desvantagem (performance). - Entretanto, somente as modernas técnicas de controle e os avanços na eletrônica de potência permitiram o controle destes motores e um desempenho satisfatório. - Este motor apresenta simplicidade mecânica, porém requer sofisticação na eletrônica de controle. - Apresentam alto rendimento, porém com um significativa pulsação de torque, o que pode limitar o seu uso em certas aplicações. - Estes motores são propensos a um elevado nível de ruído, devido ao seu princípio de funcionamento e características geométricas. 4

Alguns Tipos de Motores de Relutância Chaveados 6/8 trifásico 12/8 trifásico 8/6 tetrafásico Nr = Ns ± 2-6/4-8/6-6/8-12/8-12/4-4/2 5

Princípio de Funcionamento - Máquina de relutância simples, com uma fase e dois polos: as duas bobinas são excitadas simultaneamente, criando um fluxo como mostrado. - na posição mostrada, o torque resultante tende a girar o rotor na direção antihorária, até a posição de alinhamento. 6

Posições de Alinhamento e Desalinhamento Posição de alinhamento: - Θ = 0, 180 - Indutância máxima - circuito magnético propenso a saturar - torque zero: equilíbrio estável Posição de desalinhamento: - Θ = ±90 - Indutância mínima - circuito magnético não propenso a saturar - torque zero: equilíbrio instável 7

Variação da Indutância com a Posição do Rotor - A indutância varia com a posição, como mostrado abaixo. - Torque positivo é produzido quando a bobina é percorrida por corrente constante, enquanto a indutância aumenta à medida que o rotor se aproxima da posição de alinhamento (entre pontos J e A). 8

Variação da Indutância com a Posição do Rotor - Para evitar que o torque fique negativo (após a posição de alinhamento), a corrente é interrompida (chaveada) enquanto os polos estão se separando (intervalo AK). - A forma de onda ideal de corrente é uma série de pulsos sincronizados com os intervalos de indutância crescente. - A forma de onda ideal do torque é igual à da corrente - Torque constante é produzido pelo chaveamento seqüencial das fases. 9

Produção de Torque - Nas posições de alinhamento e desalinhamento, o torque é nulo. - Entre estas posições há produção de torque. - Antes dos dentes do rotor alinharem-se com a fase do estator que está ligada, ela é desligada e outra fase é ligada, para que o torque não caia a zero. - Quando uma fase apresenta variação da indutância, à medida que o dente do rotor se aproxima dela, ela é ligada (percorrida por corrente), para produzir torque. - O torque total é composto pelo torque que cada fase produz, à medida em que as fases vão sendo chaveadas uma após a outra, de acordo com a posição do rotor. 10

Produção de Torque - O torque total é altamente pulsante. - Em relação à posição do rotor (indutância da fase), as fases podem ser ligadas com um ângulo variável, de modo a antecipar ou atrasar a ligação da fase em relação à curva de indutância da respectiva fase. - Quando uma fase é desligada, a sua indutância impede que a corrente seja extinta imediatamente. - Assim, faz-se necessário a aplicação de uma tensão reversa sobre a fase a ser desligada, para que a corrente se extinga mais rapidamente, e a próxima fase seja ligada. 11

Curva de Torque Estático posição de desalinhamento 12

Curva de Torque Estático 13

Curva de Torque Estático posição de alinhamento 19

Análise Linear da Produção de Torque Equação da tensão Equação da potência Variação da Energia magnética armazenada, ou seja, potência Equação da potência Perda Joule Variação energia magnética + 1/2 Variação energia mecânica Equação do torque O torque não depende do sentido da corrente! 20

Status Atual da Tecnologia - O número de produtos comerciais que usam motores de relutância é muito pequeno, apesar de que os poucos em produção têm bastante sucesso em suas áreas especializadas. - Durante o período de desenvolvimento dos motores de relutância modernos (a partir de 1965), outras tecnologias tiveram grandes avanços: motores de indução com controle de campo orientado e motores com ímãs permanentes e seus drives. - Estas tecnologias são produzidas em um número muito maior do que os motores de relutância, e utilizados em uma vasta gama de aplicações. - Esta condição tende a manter-se, e o motor de relutância deverá manter-se como um motor especial, com características especiais de interesse em aplicações especiais. 21