Blindagens eletrostáticas para atenuação das correntes nos mancais do motor de indução: análise computacional de sua eficácia e impacto no desempenho do motor
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
José Roberto Cardoso
Antônio Carlos Ferreira
Renato Cardoso Mesquita
Thales Alexandre Carvalho Maia
Renato de Oliveira da Costa Lyra
Antônio Carlos Ferreira
Renato Cardoso Mesquita
Thales Alexandre Carvalho Maia
Renato de Oliveira da Costa Lyra
Resumo
A busca por acionamentos mais eficientes culminou no surgimento de chaves semicondutoras cada vez mais rápidas, capazes de submeter os enrolamentos das máquinas rotativas a elevadas variações de tensão, na ordem de vários kV/μs. Além disso, durante a operação do conversor, é gerada naturalmente uma tensão de modo comum cujas componentes de altíssimas frequências (associadas aos elevados dv/dts) excitam os diversos acoplamentos capacitivos existentes no interior do motor, promovendo a circulação de correntes elétricas nos mesmos, em direção à terra. Dessa forma, caso tenham os mancais da máquina e/ou da carga acionada como parte de sua malha, tais correntes podem causar sérios danos a esses componentes. Considerando o acionamento via conversor de frequência, em geral são destacados na literatura cinco tipos diferentes de correntes nos mancais. A nomenclatura mais aceita as classificam como: (1) Correntes capacitivas; (2) Correntes resistivas ou de condução, (3) Correntes de descarga (em inglês Electric Discharge Machining - EDM), (4) Correntes circulantes e (5) Correntes de rotor. Diferentes soluções para minimizar essas correntes são encontradas na literatura, dentre as quais podem ser destacadas: utilização de filtros para redução da tensão e da corrente de modo comum; utilização de mancais eletricamente isolados; aterramento do eixo do motor; instalação de blindagem eletrostática. Particularmente em relação ao uso de blindagens para a redução das correntes nos mancais, nota-se a necessidade de maiores investigações para uma possível viabilização de sua aplicação comercial. Como forma de contribuir nesse tema, este trabalho realiza um estudo sobre a efetividade do uso de tais blindagens, analisando não apenas o seu efeito na atenuação das correntes nos mancais, mas também o seu impacto na operação do motor. Assim, a partir de modelos em duas e três dimensões que empregam o método dos elementos finitos, são realizados estudos de casos considerando diferentes configurações, dimensões geométricas e materiais para a construção da blindagem. Dessa maneira, a variação da efetividade da blindagem dentro de uma faixa de frequências de interesse é determinada, bem como o seu impacto em grandezas operacionais do motor como, por exemplo, a corrente do estator, o torque desenvolvido e o rendimento. Com isso, o estudo apresentado neste trabalho fornece boas orientações para o projeto prático de dispositivos de blindagem como solução para as correntes nos mancais do motor de indução.
Abstract
The search for efficient electrical drives has allowed the emergence of very fast power
switches that are capable to apply steep voltage pulses with high dv/dts (several kV/μs) at the
machine terminals. In addition, a common mode voltage is naturally generated at the inverter
output and its high frequency components (which are associated to these high dv/dts) excite the
parasitic capacitances inside the motor, enabling the circulation of electrical currents. If the
machine and/or load bearings are part of their path, such currents can cause serious damage to
these components. The inverter-induced bearing currents are classified as: 1) Capacitive
currents; 2) Resistive (or conduction) currents; 3) Electric discharge machine currents (EDM);
4) Circulating currents; 5) Rotor ground currents. Different mitigation techniques to eliminate
the inverter-induced bearing currents can be found in the literature. These mitigation techniques
include the use of filters to reduce common mode voltage and common mode current, insulated
bearings, motor shaft grounding, electrostatic shielding installation, among others. With respect
to the use of electrostatic shields to reduce the bearing currents, further investigations are
needed for its industrial application feasibility. To contribute to this theme, a thorough analysis
of the shielding effectiveness to mitigate the undesirable phenomena and its impact on the motor
operation was carried out. Employing 2-D and 3-D models, several finite element analysis
(FEA) simulations were thoroughly made addressing the shielding effectiveness (SE) to
attenuate the bearing currents and the associated eddy current losses for different shield widths,
thicknesses, and materials. Furthermore, the possible impacts on the machine operation
quantities (such as line current, average torque, and efficiency) due to the shield presence are
also evaluated, as well as the SE variation with frequency. The obtained results provide very
good guidelines for the practical design of the shielding device.
Assunto
Engenharia elétrica, Método dos elementos finitos, Motores elétricos de indução
Palavras-chave
Tensão de modo comum, Corrente de modo comum, Correntes de alta frequência nos mancais, Blindagem eletrostática, Método dos elementos finitos