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ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MOTOR SÍNCRONO PENTAFÁSICO DE
ÍMÃS PERMANENTES TOLERANTE A FALTA DE FASE PELO MÉTODO DOS
ELEMENTOS FINITOS
Sthenio Guida Perdigão Pereira de Sousa
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Antônio Carlos Ferreira, Ph.D.
Rio de Janeiro
Abril de 2016
ii
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MOTOR SÍNCRONO PENTAFÁSICO DE
ÍMÃS PERMANENTES TOLERANTE A FALTA DE FASE PELO MÉTODO DOS
ELEMENTOS FINITOS
Sthenio Guida Perdigão Pereira de Sousa
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinada por:
____________________________________________
Prof. Antônio Carlos Ferreira, Ph.D.
(Orientador)
____________________________________________
Prof. Heloi José F. Moreira, D.Sc
____________________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.
iii
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
ABRIL DE 2016
Pereira de Sousa, Sthenio Guida Perdigão
Análise do Comportamento de Motor Síncrono
Pentafásico de Ímãs Permanentes Tolerante a Falta de Fase
pelo Método dos Elementos Finitos - Rio de Janeiro: UFRJ
/ Escola Politécnica, 2016.
XV 104 p.: il.; 29,7cm
Orientador: Antônio Carlos Ferreira, Ph.D
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /
Curso de Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 94
1. Introdução. 2. Propulsão Elétrica Naval e Offshore. 3.
Máquinas Elétricas Multifásicas. 4. Máquinas Síncronas de
Ímãs Permanentes. 5. Software de Elementos Finitos. 6.
Modelagem do Protótipo do MSIP Pentafásico. 7. Simulação e
Resultados. 8. Conclusão e Trabalhos Futuros. I. Ferreira,
Antonio Carlos II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Análise
do Comportamento de Motor Síncrono Pentafásico de Ímãs
Permanentes Tolerante a Falta de Fase pelo Método dos
Elementos Finitos
iv
“Os que se encantam com a prática sem a ciência são como os timoneiros que
entram no navio sem timão nem bússola, nunca tendo certeza do seu destino”
Leonardo da Vinci
v
Agradecimentos
Aos meus pais Rogéria Guida e Avelino Perdigão, pelo amor e apoio
incondicionais.
Aos meus irmãos Stefano, Ivens, Igor e à minha irmã Karina que sempre estiveram
próximos ao meu lado quando precisei.
A minha namorada e companheira Beatriz, pela paciência e suporte em todos os
momentos.
Ao professor Antônio Carlos Ferreira, pela dedicação, paciência, conhecimento
transmitido e todo apoio quando solicitado durante este projeto.
Aos amigos Cássio e Diego que felizmente pude conhecer na Engenharia Elétrica
da UFRJ e levar a amizade para a vida.
Aos demais professores, funcionários e alunos que de forma direta ou indireta
contribuíram para minha formação.
Muito Obrigado
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE MOTOR SÍNCRONO PENTAFÁSICO DE
ÍMÃS PERMANENTES TOLERANTE A FALTA DE FASE PELO MÉTODO DOS
ELEMENTOS FINITOS
Sthenio Guida Perdigão Pereira de Sousa
Abril/2016
Orientador: Antônio Carlos Ferreira
Curso: Engenharia Elétrica
Este trabalho apresenta a análise de um motor síncrono pentafásico de ímãs
permanentes (MSIP) tolerante a falta de fase pelo Método dos Elementos Finitos (MEF).
Foi feito o projeto (CAD) da máquina (Computer-Aided Design) e também a modelagem
da máquina elétrica através do software de Elementos Finitos MAXWELL, ANSYS. O
MSIP deve se manter operante em uma condição segura e estável durante a perda de uma
ou mesmo duas fases sem quaisquer componentes e equipamentos adicionais, apenas com
ajuste da corrente nas fases remanescentes. O trabalho compreende uma análise e
simulações de estudos teóricos. A modelagem da máquina em CAD foi projetada com
base no protótipo de um MSIP trifásico adaptado para um MSIP pentafásico, 11 kW, 220
V, 90 Hz, 6 pólos, alimentado por um inversor de cinco fases. A simulação apresentou o
comportamento eletromagnético da máquina durante a partida, operação em regime, após
a perda de uma fase e também duas fases.
Palavras-chave: Pentafásico, Motor Síncrono de Ímãs Permanentes, MSIP, Método dos
Elementos Finitos, Propulsão Elétrica.
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI / UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Electrical Engineer.
ANALYSIS OF FAULT TOLERANT FIVE PHASE PERMANENT MAGNET
SYNCHRONOUS MOTOR BEHAVIOUR BY FINITE ELEMENTS METHOD
Sthenio Guida Perdigão Pereira de Sousa
April/2016
Advisor: Antônio Carlos Ferreira
Course: Electrical Engineering
This work presents the analysis of a fault tolerant five phase permanent magnet
synchronous motor (PMSM) by the Finite Element Method (FEM). It was made the
Computer-Aided Design (CAD) machine modeling and also the electrical machine
modeling through the Finite Element software MAXWELL, ANSYS. The five phase
PMSM keeps running in a safe and stable condition during the loss of one or even two
phases without any components and additional equipment, just by adjusting the current
in the remaining phases. The work comprehends a theoretical analysis and simulations
studies. The CAD machine modeling was designed based on the prototype of a triphase
PMSM adapted to a five phase PMSM, 11 kW, 220 V, 90 Hz, six poles, fed by a five
phase inverter. The simulation presented the machine electromagnetic behavior during
normal, starting, steady state operation, after the loss of one phase and also two phases
with tolerance after the control is on.
Keywords: Five Phase, Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM, Finite Elements
Method, Electric Propulsion.
viii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... x
LISTA DE TABELAS ................................................................................................... xv
Capítulo 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................... 1
1.1. Motivação ......................................................................................................... 3
1.2. Trabalhos Anteriores ........................................................................................ 4
1.3. Objetivo ............................................................................................................ 5
Capítulo 2. PROPULSÃO ELÉTRICA NAVAL E OFFSHORE ................................. 7
2.1. História da Propulsão Elétrica em Embarcações .............................................. 7
2.2. Sistemas de Propulsão Naval e Offshore .......................................................... 8
2.3. Sistemas de Posicionamento Dinâmico (DP) ................................................. 16
2.4. Tecnologia Azimutal Z versus Tecnologia Azipod ........................................ 18
2.5. Vantagens da Propulsão Elétrica .................................................................... 20
2.6. Sistemas de Gerenciamento de Energia (PMS) .............................................. 26
2.7. Tipos de Motores Elétricos para Propulsão .................................................... 31
2.8. Conversores de Frequência em Propulsão Naval ........................................... 36
Capítulo 3. MÁQUINAS ELÉTRICAS MULTIFÁSICAS ........................................ 44
Capítulo 4. MÁQUINAS SÍNCRONAS DE ÍMÃS PERMANENTES ..................... 47
Capítulo 5. SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS ............................................. 52
5.1. MEF na Engenharia ........................................................................................ 52
5.2. MAXWELL - ANSYS ................................................................................... 59
ix
Capítulo 6. MODELAGEM DO PROTÓTIPO DO MSIP PENTAFÁSICO ............. 63
6.1. Modelagem do Estator .................................................................................... 66
6.2. Modelagem do Rotor ...................................................................................... 68
6.3. Modelagem do Enrolamento Pentafásico ....................................................... 71
6.4. Modelagem dos Ímãs Permanentes ................................................................ 74
6.5. Modelagem do Circuito Alimentador do MSIP Pentafásico .......................... 76
Capítulo 7. SIMULAÇÃO E RESULTADOS ............................................................ 78
7.1. Implementação da Malha de Elementos Finitos ............................................. 80
7.2. Falta Monofásica com Controle Tolerante a Falta de Fase ............................ 82
7.3. Falta Bifásica com Controle Tolerante a Falta de Fase .................................. 85
7.4. Análise Eletromagnética do MSIP Pentafásico .............................................. 88
Capítulo 8. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS .......................................... 92
8.1. Considerações Finais ...................................................................................... 92
8.2. Trabalhos Futuros ........................................................................................... 93
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 94
ANEXO A - CHAPA DO ESTATOR PENTAFÁSICO ............................................... 98
ANEXO B - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO ROTOR .......................... 99
ANEXO C - MSIP PENTAFÁSICO (REF. [9]) .......................................................... 100
ANEXO D - ESQUEMA DE LIGAÇÃO - PARTE I .................................................. 101
ANEXO E - ESQUEMA DE LIGAÇÃO - PARTE II ................................................. 102
ANEXO F – DIAGRAMA UNIFILAR DE EMBARCAÇÃO .................................... 104
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Comparativo entre custo de afretamento e custo de combustível [ABB] ............................ 4
Figura 2 – Fluxo de energia em uma embarcação ................................................................................... 8
Figura 3 – Propulsão mecânica direta por motor Diesel - Scana .......................................................... 9
Figura 4 - Propulsão elétrica direta com detalhe da praça de máquinas dividida ............................ 10
Figura 5 - Configuração Diesel-elétrica direta ...................................................................................... 10
Figura 6 - Propulsão elétrica azimutal .................................................................................................. 11
Figura 7 - Propulsor Azipod sem engrenagens ..................................................................................... 11
Figura 8 - Configuração CRP ................................................................................................................. 12
Figura 9 – Eficiência Propulsiva como uma função da carga no hélice ............................................... 14
Figura 10 - Propulsor de Passo Fixo - Desenho, Foto [MAN B&W] .................................................... 15
Figura 11 - Propulsor de Passo Variável - Desenho, Foto [MAN B&W] ............................................. 16
Figura 12 - Plataforma semi-submersível com Posicionamento Dinâmico (DP) ................................. 17
Figura 13 - Tela de monitoramento e controle de DPS ......................................................................... 17
Figura 14 – Propulsor POD, à esquerda ; Anel deslizante para sistema de direção, à direita .......... 18
Figura 15 - Ilustração interna de um propulsor tipo pod ...................................................................... 19
Figura 16 - Comparação entre manobrabilidade Azipod e convencional ........................................... 19
Figura 17 - Impulsionador (thruster) azimutal tipo POD [ABB] ........................................................ 20
Figura 18 - Estudo comparativo de emissões entre sistemas propulsivos [ABB] ................................ 24
Figura 19 - Comparação entre sistemas elétricos navais em CA e em CC .......................................... 25
Figura 20 - Sistema Elétrico Naval em CC ............................................................................................. 25
Figura 21 - Painel elétrico com IHM conectada ao PMS ...................................................................... 27
Figura 22 - Diagrama unifilar de quadro de distribuição visto por PMS............................................ 28
xi
Figura 23 - Visão geral de um PMS para embarcação offshore ........................................................... 28
Figura 24 - Tela de impulsionador azimutal retrátil tipo POD ............................................................ 29
Figura 25 - FPSO Cidade de Itaguaí com geração de 113MW de energia elétrica ............................. 31
Figura 26 - Ilustração básica do MI tipo gaiola ..................................................................................... 33
Figura 27 - Circuito equivalente do MI .................................................................................................. 33
Figura 28 - Excitatriz brushless montada no mesmo eixo do motor síncrono .................................... 34
Figura 29 - Circuito equivalente do motor síncrono ............................................................................. 34
Figura 30 - Ilustração básica do MSIP ................................................................................................... 35
Figura 31 - Esquema unifilar de alimentação de propulsor pod .......................................................... 37
Figura 32 - Princípio básico do PWM .................................................................................................... 39
Figura 33 - Inversores de frequência [WEG e Siemens] ....................................................................... 39
Figura 34 - Análise de harmônicas em ondas separadas e somadas (inferior) .................................... 40
Figura 35 - Diferença entre corrente geradas por conversores de 6, 12 e 24 pulsos ........................... 41
Figura 36 - Topologia de um conversor VSI para acionamento de motor trifásico............................ 41
Figura 37 - Esquema elétrico dos conversores VSI de 6 e 12 pulsos .................................................... 41
Figura 38 - Unifilar de propulsão elétrica com motor síncrono brushless e filtros ............................ 42
Figura 39 - Componentes do sistema propulsivo elétrico...................................................................... 42
Figura 40 - Inversor pentafásico ............................................................................................................. 43
Figura 41 – Esquema de alimentação e controle do MSIP/PMSM pentafásico .................................. 44
Figura 42 – Densidade de energia (BH)máx ao longo do tempo ............................................................. 47
Figura 43 - Ímãs permanentes e densidade de energia, NdFeB em destaque ...................................... 48
Figura 44 – Demonstração do princípio de funcionamento do ímã permanente ................................ 48
Figura 45 - MSIP em corte com os ímãs em evidência [Linha Wmagnet - WEG] .............................. 49
Figura 46 - Curvas de rendimento MI x MSIP para acionamento de compressor [WEG]................ 50
xii
Figura 47 - Rotores de máquinas síncronas com ímã permanente ...................................................... 50
Figura 48 - MSIP com inversor [Linha Wmagnet - WEG] ................................................................... 51
Figura 49 - Exemplo de aplicação do MEF na indústria naval [ANSYS] ............................................ 52
Figura 50 - Exemplo de aplicação do MEF em motores elétricos [ANSYS-MAXWELL] ................. 53
Figura 51 - Aplicação do MEF em deformações do estator de um motor elétrico .............................. 54
Figura 52 - Diferentes métodos de análise eletromagnética .................................................................. 55
Figura 53 - Malha de elementos triangulares e um elemento isolado .................................................. 55
Figura 54 - Exemplo de diferentes tamanhos de elementos .................................................................. 56
Figura 55 - Diferentes métodos de análise eletromagnética MEF em Máquinas Elétricas ................ 56
Figura 56 - Equações de MAXWELL na forma diferencial ................................................................. 57
Figura 57 - Equações de MAXWELL na forma integral ...................................................................... 57
Figura 58 - Distribuição de potencial magnético e linhas de campo .................................................... 59
Figura 59 - Tela padrão de projeto de simulação do MAXWELL ....................................................... 60
Figura 60 - Exemplo de atuador rotacional em 2D e 3D ....................................................................... 60
Figura 61 - Escolha de modelo de máquina elétrica - RMxprt ............................................................. 61
Figura 62 - Parâmetros para criação dos aspectos construtivos - RMxprt ......................................... 62
Figura 63 - Exemplo de ranhura do banco de dados - RMxprt ............................................................ 62
Figura 64 - MSIP gerado no MAXWELL 3D ........................................................................................ 65
Figura 65 - MSIP pentafásico em perspectiva com estator ocultado ................................................... 65
Figura 66 - Dados para criação do estator do motor ............................................................................. 66
Figura 67 - Estator criado com 45 ranhuras .......................................................................................... 67
Figura 68 - Estator em 3D com detalhe de duas bobinas ...................................................................... 67
Figura 69 - Ícones no topo da tela principal (Manual - MAXWELL Geometry) ............................... 68
Figura 70 - Aba de ferramentas .............................................................................................................. 68
xiii
Figura 71 - Ferramentas geométricas (Manual - MAXWELL Geometry) ......................................... 69
Figura 72 - Tabela de ferramentas geométricas (Manual - MAXWELL Geometry) ......................... 69
Figura 73 - Lista de manobras até chegar à forma geométrica desejada ............................................ 70
Figura 74 - Rotor gerado após manobras geométricas ......................................................................... 70
Figura 75 - Rotor em detalhe para as entradas dos ímãs ...................................................................... 70
Figura 76 - Criação de bobina - LapCoil ................................................................................................ 72
Figura 77 - Dados para construção de cada bobina .............................................................................. 72
Figura 78 - Dados para construção de cada bobina .............................................................................. 73
Figura 79 - Fase A em camada dupla formada por (2+1) bobinas por ranhura ................................. 74
Figura 80 - Ímãs permanentes do MSIP pentafásico ............................................................................. 74
Figura 81 - Atribuição de material para cada ímã ................................................................................ 75
Figura 82 - Orientação de campo para cada ímã, com eixos XY independentes ................................ 75
Figura 83 - Comunicação MAXWELL/Circuit Editor ......................................................................... 76
Figura 84 - Enrolamento da Fase A no MAXWELL 2D exportado para o Circuit Editor ............... 76
Figura 85 - Circuito do MSIP pentafásico em ligação Y - Circuit Editor ........................................... 77
Figura 86 - Propriedades do modelo de circuito - Circuit Editor ........................................................ 77
Figura 87 - Tela com alguns parâmetros do circuito - Circuit Editor ................................................. 77
Figura 88 - Chave Controlada por Tensão e seu Circuito de Controle - Circuit Editor .................... 78
Figura 89 - Circuito com Chaves Controladas - Circuit Editor ........................................................... 79
Figura 90 - Chave Controlada por Tensão e Circuito de Controle - Circuit Editor ........................... 80
Figura 91 - Valores de referência utilizados na simulação - MAXWELL 2D ..................................... 80
Figura 92 - Malha de Elementos Finitos em detalhe - MeshPlots / MAXWELL 2D .......................... 81
Figura 97 - Falta Monofásica - Chave Controlada e Circuito de Controle - Circuit Editor .............. 82
Figura 98 - Correntes - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase ............................... 83
xiv
Figura 99 - Tensões Induzidas - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase ................. 84
Figura 100 - Velocidade em rpm - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase ............. 84
Figura 101 - Conjugado em N.m - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase ............. 84
Figura 105 - Falta Bifásica - Chaves Controladas e Circuito de Controle - Circuit Editor ............... 85
Figura 106 - Correntes - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase ................................... 86
Figura 107 - Tensões Induzidas - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase ..................... 86
Figura 108 - Velocidade em rpm - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase ................... 87
Figura 109 - Conjugado em N.m - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase ................... 87
Figura 110 - Intensidade de Campo Magnético (H), com ímãs permanentes...................................... 88
Figura 111 - Densidade de Fluxo Magnético (B) com ímãs permanentes ............................................ 89
Figura 112 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) com ímãs permanentes ............................... 89
Figura 112 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes ............................... 90
Figura 112 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes ............................... 90
Figura 112 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes ............................... 91
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação entre os diferentes semicondutores de potência ............................................ 37
Tabela 2 – Comparação entre as diferentes conversores para propulsores POD ............................... 38
Tabela 3 – Etapas e sub-etapas de utilização do MEF .......................................................................... 58
1
Capítulo 1. INTRODUÇÃO
O panorama atual de sistemas propulsivos marítimos apresenta normalmente as
instalações Diesel-mecânica (dominante) ou Diesel-elétrica (em expansão). Os motores
Diesel apresentam-se nos modelos de baixa, média e alta rotação, com sistemas de
transmissão direta ou com redutores (gearbox). Em algumas aplicações, também são
encontradas turbinas a gás isoladas ou combinadas com outros tipos de propulsão, sendo
mais comum em embarcações militares que requerem alta velocidade [1]. A escolha
correta do sistema propulsivo irá depender do tipo de embarcação (navio de carga geral,
de passageiros, de apoio offshore, navio tanque, plataformas de petróleo, PSV's em geral
- Platform Support Vessel - navios de apoio a plataformas, gaseiro, químico, porta-
contêiner, RO - RO, Roll On - Roll Off de veículos, graneleiro ) e deve ser feita no início
do projeto de acordo com a finalidade do navio para que o mesmo opere próximo do
ponto ótimo na maior parte do curso.
Desse modo, as instalações propulsoras devem atender aos requisitos econômicos,
técnicos e ambientais. Em termos ambientais e econômicos, a propulsão Diesel-elétrica
apresenta uma diminuição das emissões e menor consumo de combustível, devido à maior
flexibilidade de operação em diferentes velocidades do motor elétrico. Acredita-se que
no futuro, com o avanço tecnológico, a propulsão elétrica poderá permitir o uso de
geração de energia elétrica renovável e mais eficiente, como as de conversão direta no
caso da célula combustível ou células fotovoltaicas, e, assim, substituir as máquinas
primárias (motor Diesel, turbina a gás ou a vapor) e geradores elétricos [2].
Em alguns casos, devido à restrição ambiental, para minimizar os danos aos recifes
de coral, navios têm de manter a sua posição sem ancoragem. A ausência de ancoragem
também é comum em plataformas semi-submersíveis, navios sonda de perfuração e em
algumas unidades flutuantes de produção de óleo e gás (FPSO - Floating Production
Storage and Offloading). Para esses casos, a forma utilizada para manter a embarcação
em uma mesma posição e com estabilidade é por meio do sistema de Posicionamento
Dinâmico (DP-Dynamic Positioning), onde são instalados propulsores e impulsionadores
laterais azimutais (thrusters) ou fixos orientados por um sistema de controle complexo
que utiliza variáveis de posição por meio de GPS. Estes propulsores e impulsionadores
2
laterais azimutais são hélices acionadas por motores elétricos. Isso requer bom
funcionamento e controle preciso da instalação de propulsão [4].
Outro fator crucial em sistemas propulsivos é a confiabilidade. No mar, o curso de
uma embarcação é completamente dependente da propulsão. Logo, a probabilidade destes
sistemas cumprirem sem falhas uma missão com uma duração determinada será tão
elevada quanto maior for a confiabilidade. Os sistemas Diesel-elétrico, além da
diminuição dos custos e tempo com manutenção, apresentam configuração com
redundância de acionamentos e propulsores o que torna esta tecnologia cada vez mais
atrativa.
Dentre os grandes avanços tecnológicos da engenharia elétrica está a eletrônica de
potência que contribuiu em diversas aplicações de engenharia, como é o caso da indústria
naval e offshore. Como exemplo, sistemas de corrente contínua tornaram-se competitivos
em certas áreas, como no caso de transmissão de elevadas potências a longas distâncias.
No caso de acionamento e controle de máquinas ou conversão de energia surgiram os
conversores, onde técnicas como a modulação por largura de pulso, o PWM (Pulse Width
Modulation), permitiu o acionamento e controle de máquinas multifásicas, além das mais
conhecidas máquinas trifásicas.
O uso de conversores de frequência para acionamento de máquinas elétricas é o
coração da propulsão elétrica. Dentre os motores considerados, o motor síncrono de ímãs
permanentes tem se mostrado como uma boa opção por apresentar maior eficiência, maior
densidade de conjugado e menor volume [6] [7]. A confiabilidade da propulsão elétrica
em relação à propulsão mecânica é bastante superior, porém aumentar a confiabilidade
exige que o motor elétrico opere mesmo durante uma falha.
A tecnologia de máquinas multifásicas, ao contrário das trifásicas, permite que o
motor continue a funcionar mesmo durante a ocorrência da perda de uma ou mais fases,
o que a torna adequada e atrativa para aplicações que exigem alta confiabilidade como a
propulsão elétrica de embarcações. Para isso, técnicas de controle apropriadas são
necessárias para que o sistema de acionamento elétrico multifásico mantenha a operação com
as fases remanescentes, tornando estes motores tolerantes a falta de fase e com alta
confiabilidade [8] [5].
3
1.1. Motivação
Os motores elétricos são imprescindíveis para o progresso industrial por
desempenharem o importante papel de acionamento dos diversos sistemas na engenharia.
Na era das máquinas modernas eles são o combustível da inovação.
Nesse sentido, os avanços tecnológicos da eletrônica de potência e desses motores,
não só nos aspectos construtivos e evolução dos materias mas também na engenharia
elétrica de fato, permitiram a adaptação das máquinas elétricas às exigências das novas
técnicas de acionamento e controle.
A busca por sistemas mais rentáveis impulsionou a pesquisa e desenvolvimento de
motores elétricos mais eficientes. Os Motores Síncronos de Ímãs Permanentes - MSIP ou
PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) são uma nova aposta de confiabilidade
e robustez, com maior densidade de energia e conjugado. Estas máquinas ganharam vida
no momento em que os materiais semicondutores de potência aplicados aos conversores
ou inversores permitiram o controle de parâmetros como frequência e tensão acessando-
se o estator destas máquinas.
Outra vantagem no acionamento dos motores por meio de inversores foi a
eliminação das limitações do número de fases da máquina acionada, que possibilitou o
desenvolvimento das máquinas multifásicas, ou seja, máquinas com mais de três fases.
Essas novas máquinas têm como principais vantagens o aumento da densidade de
conjugado por ampère, considerando o mesmo volume de máquina, e maior densidade de
potência que diminuem as perdas resistivas totais nos enrolamentos do estator.
Dentre várias aplicações, os MSIP acionados por inversores ganharam uma
próspera aplicação em propulsão elétrica na indústria naval e offshore. A utilização destes
motores, quando combinadas ao aumento do número de fases no estator da máquina, pode
elevar a confiabilidade e a eficiência propulsiva, para o caso de embarcações que operem
fora da condição de plena carga no hélice.
A diminuição do consumo de combustível pelas máquinas primárias, além da
diminuição das emissões, cada vez mais exigidas pelas normas ambientais, são desafios
enfrentados pela indústria naval e offshore. Deve-se levar em conta o custo benefício na
relação de custos com afretamento da embarcação e do combustível consumido. Na
4
Figura 1 a seguir é apresentado um gráfico dos custos diário de consumo de combustível
e de tempo de afretamento (TC - time Charter) de embarcação ao longo das duas últimas
décadas. Nota-se que o afretamento foi mais custoso em relação ao custo de combustível
a maior parte do tempo. Por volta de 2010, os custos de propulsão aumentaram
significativamente, passando a superar os custos de afretamento.
Figura 1 – Comparativo entre custo de afretamento e custo de combustível [ABB]
1.2. Trabalhos Anteriores
Com o intuito de justificar o contexto deste trabalho, a seguir são apresentados os
desenvolvimentos de pesquisas anteriores relacionadas ao acionamento de máquinas
elétricas multifásicas e seus modos de controle para o caso de perda de fase.
Em [9] foi abordado o acionamento de um protótipo de motor síncrono de ímãs
permanentes multifásico (MSIP ou PMSM) tolerante a falta de fase, onde o objetivo foi a
melhoria da confiabilidade do acionamento do MSIP apresentado em outro trabalho em [10].
Em [11] é apresentado um novo método de detecção e identificação de falta de fase baseado
no erro entre as correntes medidas em cada fase e os respectivos sinais de referência. Este
método foi desenvolvido para detectar e identificar a falha de chave eletrônica aberta em um
inversor trifásico de fonte de tensão com chaveamento por modulação de largura de pulso,
PWM - Pulse-Width Modulation. Vale ressaltar que o trabalho abordado em [9] apresenta
uma versão modificada e adaptada do algoritmo de controle apresentado em [11].
5
Em [31], a estratégia de controle tolerante a falta de fase é tratada para o caso de um
motor multifásico de corrente contínua sem escovas (Brushless DC Machines –BLDC). A
isolação elétrica é obtida de modo que cada fase do motor seja acionada por um conversor
em ponte H isolado. Nesta estratégia, para modificar as condições de falta de fase(s), as
correntes nas fases remanescentes são aumentadas sem nenhum cálculo analítico, até obter-
se o torque nominal, porém com oscilação bastante elevada.
Apesar dos trabalhos anteriores tratarem de acionamento e controle de máquinas
multifásicas, em nenhum deles houve um estudo de análise de comportamento físico da
máquina, ou seja, não foi abordada a influência dos aspectos construtivos do motor
síncrono de ímãs permanentes pentafásicos pelo método dos elementos finitos, MEF
(FEA - Finite Elements Analysis ou FEM Finite Elements Method). A análise por
elementos finitos é uma ferramenta altamente requisitada, principalmente, em novos
projetos de engenharia elétrica, mecânica e civil. O método encontra aplicações em
diversos campos como mecânica estrutural, mecânica dos fluidos e eletromagnetismo.
Resumidamente, é uma forma de resolução numérica de um sistema de equações
diferenciais parciais.
O presente trabalho será baseado no estudo desenvolvido em [9] e apresentará os
resultados obtidos na simulação do mesmo acionamento por elementos finitos, no
software MAXWELL – ANSYS. Em [9] foi simulado um algoritmo de controle do
acionamento do MSIP, onde a perda de uma e até duas fases foram simuladas no software
MATLAB/Simulink. Em [9] também foi feito o projeto e construção do protótipo de um
motor síncrono de ímãs permanentes pentafásico, 11 kW, 45 ranhuras, 6 pólos, 90 Hz,
1800 RPM, a partir da modificação do motor síncrono de ímãs permanentes trifásico, 11
kW, 36 ranhuras, 6 pólos, 90 Hz, 1800 RPM, da empresa brasileira WEG Equipamentos
Elétricos S.A.
1.3. Objetivo
O objetivo deste trabalho é a constatação do estudo desenvolvido em [9] por meio
de simulação em elementos finitos do comportamento eletromagnético da máquina
síncrona de ímãs permanentes MSIP de cinco fases no estado de falta monofásica e falta
bifásica.
6
Para este propósito, foi necessário estudar a simulação de máquinas elétricas em
software de elementos finitos, bem como a modelagem em CAD, desenho da máquina.
Gráficos de corrente e tensão induzida nos enrolamentos, velocidade e conjugado da
motor foram gerados para constatar o controle tolerante a falta de fase.
Foram simuladas as duas condições de operação da máquina:
1. Operação com perda de uma fase com controle tolerante a falta de fase, i.e,
falta monofásica
2. Operação com perda de duas fases com controle tolerante a falta de fase, i.e,
falta bifásica
Além dos gráficos das curvas citadas, foram geradas imagens da máquina com
mapeamento e escala de cores das intensidades de campo magnético e fluxo magnético,
além das linhas de fluxo de Ampère/m e dos campos vetoriais (setas) do campo magnético
no estator e rotor do MSIP.
7
Capítulo 2. PROPULSÃO ELÉTRICA NAVAL E OFFSHORE
2.1. História da Propulsão Elétrica em Embarcações
A propulsão elétrica tem seu início em 1920, após diversas tentativas de aplicações
experimentais de baterias para propulsão elétrica no final do século XIX na Rússia e na
Alemanha. A forte concorrência para redução do tempo de travessia dos transatlânticos
de passageiros impulsionou esta tecnologia. Naquela época, a alta demanda de potência
de propulsão só poderia ser alcançada por máquinas turbo - elétricas (turbo geradores que
alimentam motores elétricos). O navio francês SS Normandie, construído em 1930, foi um
dos mais renomados a utilizar acionamento turbo - elétrico. Geradores de turbina a vapor
forneciam energia elétrica para acionar os motores síncronos de 29 MW em cada um dos
quatro eixos. A velocidade de rotação era determinada pela frequência dos geradores
elétricos. Normalmente, cada gerador alimentava um motor de propulsão, mas também
havia possibilidade de alimentação de dois motores de propulsão por gerador para
velocidades de cruzeiro mais baixas [12].
Os barcos elétricos tiveram um período de popularidade entre os anos 1890 e 1920,
antes do surgimento do motor de combustão interna, que passou a ser utilizado na maioria
das aplicações. Com o surgimento de motores diesel de alta eficiência e economicamente
viáveis em meados do século XX (1950), a tecnologia de turbinas a vapor e propulsão
elétrica ficaram afastadas dos projetos navais da marinha mercante até os anos 1980. Após
a segunda guerra mundial, a tecnologia de acionamento mecânico continuou a melhorar
e permaneceu dominante, ficando a tecnologia elétrica mais restrita aos submarinos, para
os quais a solução Disel-elétrica tornou-se o sistema padrão [9].
Com os avanços tecnológicos das máquinas elétricas e da eletrônica de potência, a
propulsão elétrica tornou-se mais economicamente viável do que a propulsão puramente
mecânica para navios de grande porte [3]. A propulsão Diesel-elétrica é atualmente a
técnica mais utilizada e explorada até mesmo em sistemas híbridos onde há combinação
de máquinas térmicas com motores elétricos, além de haver motores a combustão
bicombustível. A Figura 2 apresenta o fluxo de energia numa embarcação, desde a queima
de combustíveis na máquina primária até a geração de energia elétrica para propulsão,
cargas do navio e cargas de hotel. Este fluxo de energia mostra que a maior parte da
energia térmica é perdida nas máquinas de combustão, via calor, e nos propulsores, via
8
atrito e desgaste das partes girantes. Além dessas perdas, há também a perda por
desperdício de energia, como desgaste de equipamento, manutenção inadequada e
operação fora do ponto ideal.
Figura 2 – Fluxo de energia em uma embarcação [19]
2.2. Sistemas de Propulsão Naval e Offshore
Toda embarcação apresenta ao menos uma máquina primária térmica responsável
por transmitir energia até o hélice. As máquinas navais podem ser de combustão interna
(motor Diesel ou óleo pesado e turbina a gás) ou externa (turbina a vapor ou reator
nuclear). Geradores elétricos são acionados por estes motores ou por motores individuais
exclusivos para fornecimento de energia elétrica de bordo. Em instalações elétricas navais
e offshore, tensões abaixo de 1 KV são consideradas como baixa tensão (LV- low
voltage), enquanto todas as demais como alta tensão (HV - high voltage) [13].
Propulsão Mecânica: as máquinas primárias (a Diesel, a óleo pesado, a gás, ou a
vapor) desenvolvem altas rotações em seu eixo principal que são transmitidas para a caixa
de engrenagens (gearbox) que reduzem para rotações apropriadas para o hélice do navio,
de modo que se obtém um aumento de conjugado nesta transformação, conforme
ilustrado na Figura 3. Além disso, a potência elétrica para os serviços de bordo é fornecida
por geradores exclusivos ligados aos barramentos de distribuição que alimentam as cargas
de baixa e alta tensão.
9
Figura 3 – Propulsão mecânica direta por motor Diesel - Scana
Propulsão Elétrica: a máquina primária (a Diesel, a óleo pesado, a gás, ou a vapor)
a alta rotação aciona diretamente um gerador elétrico, descartando-se a necessidade da
caixa com engrenagens de redução. A tensão trifásica induzida nos terminais da máquina
alimenta os barramentos de distribuição das cargas de propulsão e para serviços de bordo
em geral. Devido a flexibilidade proporcionada pela transmissão via cabos elétricos, os
motores elétricos não precisam necessariamente ficar alinhados aos eixos da máquina
primária e do gerador, podendo ficar até mesmo em planos (deck) diferentes.
Normalmente, os geradores ou alternadores geram tensões típicas da ordem de 6,6 kV a
11 kV, para o barramento de alta, que podem alimentar os barramentos de baixa, tensão
típica de 440 V, por meio de transformadores. Alimentados pelos trafos ligados no
barramento de alta ou diretamente a este barramento, a depender dos valores nominais,
os conversores ou inversores de frequência recebem potência elétrica em valores fixos de
frequência e tensão, e adaptam para valores adequados ao acionamento do hélice. Estes
conversores são controladores de velocidade ou frequência, conhecidos do inglês como
VSD ou VFD (Variable Speed Driver ou Variable Frequency Driver). A partir dos
motores elétricos, com controladores de velocidade, o que irá diferenciar os tipos de
propulsão elétrica será a maneira como estes motores irão transmitir rotação para o
propulsor ou hélice. Desse modo, as propulsões podem ser:
Propulsão Elétrica Direta: um motor elétrico, no interior do casco do navio,
aciona diretamente o eixo propulsor, onde apenas o hélice está fora do casco,
ficando o conjunto num mesmo plano. Pode haver também mais de um motor
elétrico e, neste caso, há uma combinação dos eixos por meio de engrenagens
10
que transmitem para o eixo do propulsor. Apenas o hélice ou propulsor fica
fora do casco neste tipo de propulsão elétrica, conforme Figuras 4 e 5.
Figura 4 - Propulsão elétrica direta com detalhe da praça de máquinas dividida
Figura 5 - Configuração Diesel-elétrica direta [16]
Propulsão Elétrica Azimutal: Desta forma, o motor elétrico do propulsor
azimutal fica localizado na parte interior ao casco do navio e a potência
mecânica gerada pelo acionamento elétrico é transmitida ao hélice por meio de
eixos e engrenagens. O hélice fica com grau de liberdade de 360º para girar ao
redor de seu eixo vertical e gerar empuxo nessas direções. Nestes propulsores
azimutais, as engrenagens têm a função apenas de transferir o giro do eixo do
motor elétrico para o eixo do hélice, pelo fato de estarem em planos de giro
diferentes, conforme a Figura 6.
11
Figura 6 - Propulsão elétrica azimutal [14]
Propulsão Elétrica Azipod: os motores elétricos ficam fora do casco do navio.
Os conversores, neste caso, alimentarão um motor elétrico localizado na parte
externa da embarcação, dentro de uma espécie de casulo (pod) selado e
acoplado ao hélice, como mostrado na Figura 7. Da mesma forma que no
azimutal, o propulsor fica com liberdade de 360º de giro para gerar empuxo. O
termo Azipod é uma marca registrada da ABB, maior fabricante de propulsores
do mundo.
Figura 7 - Propulsor Azipod sem engrenagens
Propulsão Elétrica CRP: o Contra Rotating POD ou propulsão POD com contra-
rotação, é uma combinação do motor em casulo externo e azimutal controlado,
pod, com o sistema direto de acionamento, elétrico ou mecânico. O conceito
aumenta a eficiência propulsiva na medida em que se obtém redundância de
hélices e aumento de potência propulsiva. Caracteriza-se por funcionar com 2
hélices em linha, girando em sentidos opostos, funcionando também como leme.
O modo de contra-rotação reduz a resistência ao arrasto e aumenta a eficiência em
12
relação aos mecanismos manobráveis tradicionais, em razão da incorporação do
efeito de contra-rotação. Começou há alguns anos e vem sendo introduzido em
alguns tipos de navios. A Figura 8 apresenta esta configuração de propulsores.
Figura 8 - Configuração CRP
Propulsão Híbrida: caso em que potência mecânica e potência elétrica atuam em
conjunto para acionamento do eixo propulsor, ou seja, em um mesmo trem de propulsão,
otimizando a eficiência propulsiva para navios com demanda de energia flexível. A
combinação da potência entregue pelos motores Diesel com a potência entregue pelos
motores elétricos oferece potência de propulsão, o que garante ao navio uma ampla
capacidade operacional, fornecendo a quantidade certa de potência e conjugado para o hélice
em cada modo de operação. A seguir são apresentados os tipos de propulsão híbrida
encontrados nas instalações navais [23]:
CODOG (Combined Diesel or Gas): Propulsão combinada entre motores
Diesel e turbinas a gás. As turbinas a gás são dedicadas a manobras rápidas e
de alta velocidade. Uma grande vantagem das turbinas a gás é que são mais
compactas, isto é, apresentam maior razão potência/peso ( até 70% em relação
a outros motores) [20].
CODAG (Combined Diesel and Gas): Torna-se diferente do sistema
CODOG nos regimes de alta velocidade. Nesta situação, os motores a Diesel
trabalham em conjunto com as turbinas a gás.
COGOG (Combined Gas or Gas): Propulsão combinada entre tipos de
turbinas a gás, onde se utiliza uma turbina a gás de menor consumo para
velocidades de cruzeiro e uma turbina de alto rendimento para velocidades
maiores, onde se exige alta produtividade.
13
COGAG (Combined Gas and Gas): Semelhante ao anterior, mas neste caso
os dois tipos de turbina a gás operam conjuntamente em altas velocidades.
CODLAG (Combined Diesel-Electric and Gas Turbine): Pode-se afirmar
que o CODLAG é um sistema variante do CODAG, onde motores elétricos
são acrescidos ao sistema de propulsão, com a finalidade de se obter níveis
de ruído baixos quando operando em baixas velocidades.
COSAG (Combined Steam and Gas): É um sistema praticamente não
utilizável nos navios modernos, restrito a alguns navios obsoletos no
mundo. Neste arranjo, a turbina a vapor faz a função do motor a Diesel para
regimes mais econômicos. Em altas velocidades, os dois atuam
conjuntamente.
CODAD (Combined Diesel and Diesel): Operam semelhantemente ao
COGAG, no qual, normalmente, metade dos motores trabalha nas
atividades de baixas velocidades, enquanto todo o sistema é dirigido para
desempenho máximo.
CONAS (Combined Nuclear and Steam): O arranjo é dividido entre
caldeiras, que produzem vapor para trabalhar a baixas velocidades, e
reatores nucleares, que alimentam outro grupo de turbinas a vapor, para
operação na faixa de altas velocidades. O sistema ainda permite o
acionamento mútuo entre caldeiras e reatores para obter velocidades acima
de 30 nós.
A Figura 9 apresenta o gráfico com as curvas de eficiência propulsiva para sistema
mecânico Diesel/bicombustível, para turbina a gás com ciclo combinado, para turbina a
vapor, turbina a vapor com alta eficiência e para propulsão elétrica. Nota-se que motores
Diesel bicombustíveis apresentam melhores índices de eficiência dentre as máquinas
primárias.
14
Figura 9 – Eficiência Propulsiva como uma função da carga no hélice
Além dos tipos de acionamento, deve-se levar em consideração no projeto de
propulsão naval e offshore o tipo de hélice ou propulsor a ser escolhido. Requisitos
hidrodinâmicos e de manobrabilidade e flexibilidade são considerados e analisados para
viabilidade no projeto. O fenômeno da cavitação é o grande vilão dos propulsores, onde
quedas repentinas de pressão podem danificar a estrutura das pás. Os propulsores ou
hélices podem ser classificados como Propulsor de Passo Fixo, em inglês FPP, Fixed
Pitch Propeller, ou Propulsor de Passo Controlável, em inglês CPP, Controllable Pitch
Propeller. A escolha de um ou de outro dependerá do projeto naval e do tipo de
embarcação. A seguir são apresentados alguns aspectos comparativos [17].
Propulsor de Passo Fixo – FPP
Neste tipo de propulsor as pás do hélice são fundidas no cubo do eixo, formando
um único conjunto ao final da fabricação, Figura 10.
Vantagens: Construção simples e menos manutenção. Não necessita de
sistema de apoio para operação. Menor cubo do hélice levando ao
aumento da eficiência em mar aberto.
Desvantagens: queda brusca de desempenho para condições de operação
fora de projeto. Problemas de cavitação, força, estabilidade e potência
em condições altamente carregadas e fora de projeto.
15
Figura 10 - Propulsor de Passo Fixo - Desenho [17], Foto MAN B&W [18]
Propulsor de Passo Controlável ou Variável – CPP
Neste caso, as pás do hélice são fabricadas separadamente e aparafusadas no
cubo do eixo e podem sofrer um deslocamento angular durante a rotação do
hélice. Um sistema hidráulico aciona as pás que faz variar o passo sem que seja
necessário parar a máquina primária para uma eventual inversão de marcha,
Figura 11.
Vantagens: Pode ser otimizado em toda a faixa operacional, o que
promove a eficiência do sistema diminuindo gasto de combustível e
consequente diminuição das emissões. Capacidade de mitigar e reduzir a
cavitação e lâmina de estresse, bem como aumentar a eficiência geral.
Capacidade de produção de empuxo para a frente ou para trás, enquanto
continua a rodar na mesma direção.
Desvantagens: Requer um sistema de apoio para operar corretamente o
que implicará em mais energia elétrica e manutenção. Mais complexo e
mais caro,maior cubo do hélice levando à diminuição da eficiência em
mar aberto.
16
Figura 11 - Propulsor de Passo Variável - Desenho [17], Foto MAN B&W [18]
2.3. Sistemas de Posicionamento Dinâmico (DP)
A tecnologia de Posicionamento Dinâmico ou Dynamic Positioning System (DP),
em inglês, foi criada para atender as necessidades das empresas de petróleo a exploração
de hidrocarbonetos longe da costa, offshore. Apesar de parecer recente, teve início em
1961 com o primeiro navio DP, o Eureka da Royal Dutch Shell, ou simplesmente Shell,
empresa anglo-holandesa de petróleo e energia. Equipado com dois propulsores capazes
de girar 360 graus e utilizando um controlador analógico [25].
Ele foi o primeiro a ser capaz de manter a posição (dentro de um raio de 180m) sem
intervenção do operador. O aumento da eficiência dos sistemas de controle e de
referência, particularmente o GPS nos anos 80, abriu caminho para os sistemas de alta
precisão que usamos hoje.
Resumidamente, DP é um sistema de controle, que mede e quantifica propriedades
ambientais (vento, maré, etc.) e envia comandos para seus atuadores que são propulsores
ou impulsionadores (thrusters) para combater essas forças e manter a embarcação parada,
ou movê-la ao longo de uma faixa específica, de acordo com as informações de posição
comunicadas ao satélite via sistema GPS. Este sistema é altamente aplicado nas
plataformas semi-submersíveis de petróleo, muito utilizadas nas etapas de perfuração de
poços offshore, mais conhecidas como sondas de perfuração. Nas figuras 12 e 13 são
apresentados sistemas DP.
17
Figura 12 - Plataforma semi-submersível com Posicionamento Dinâmico (DP) [ABB]
Na Figura 12, é possível identificar os oito propulsores ou impulsionadores
(thrusters), dois em cada pilar da plataforma, instalados de modo a manter a posição da
unidade flutuante independente das condições de tempo e mar.
Na Figura 13, é apresentada uma tela de monitoramento e controle de uma
embarcação operada com sistema de posicionamento dinâmico (DPS).
Figura 13 - Tela de monitoramento e controle de DPS [25]
18
Os sistemas DP permitem a operação de embarcações em condições agressivas de
tempo e mar, onde sistemas de ancoragem não seriam viáveis. O desenvolvimento desta
tecnologia torna-se cada vez mais eficiente e aplicada, na medida em que sistemas com
propulsão elétrica tornam-se a grande alternativa em aplicações que exigem melhor
manobrabilidade e flexibilidade da embarcação, além de um eficiente sistema de
gerenciamento de energia de bordo para um correto funcionamento dos sistemas
complexos de automação e rastreabilidade por GPS e outros sistemas de posição.
2.4. Tecnologia Azimutal Z versus Tecnologia Azipod
No propulsor azimutal tipo pod, azipod, o hélice é acoplado diretamente ao eixo
do motor. O hélice de passo fixo é acionada por um motor de velocidade variável. O
conjunto (motor + hélice) dentro de uma espécie de casulo selado fica submerso e pode
girar 360 graus em torno do seu eixo vertical para fornecer empuxo de propulsão em
qualquer direção. Portanto não precisa de leme, hélice transversal de popa, ou longas linha
de eixo dentro do casco. Este sistema de propulsão é apresentado na Figura 14.
Figura 14 – Propulsor POD, à esquerda ; Anel deslizante para sistema de direção, à direita [14]
Uma ilustração das partes internas de um propulsor tipo pod é apresentada na Figura
15. Como grande vantagem deste tecnologia, pode-se observar na Figura 16 a alta
capacidade de manobra em círculo a plena carga de propulsão desenvolvida pelos navios
com tecnologia de motor elétrico azimutal externo em casulo, Azipod.
19
Figura 15 - Ilustração interna de um propulsor tipo pod [29]
Figura 16 - Comparação entre manobrabilidade Azipod e convencional [ABB]
Similar ao propulsor azimutal tipo z, o propulsor azimutal tipo POD pode girar 360
graus ao redor do seu eixo vertical e produzir propulsão em qualquer direção. O propulsor
POD (azimuth POD drive) possui as seguintes vantagens em relação ao propulsor
azimutal tipo Z (azimuth Z drive) [9]:
Eliminação das complicadas engrenagens Z sem abrir mão da
manobrabilidade de 360 graus.
20
Melhor manobrabilidade com empuxo de propulsão pleno em todas
as direções.
Redução da necessidade de rebocadores ou eliminação por completo
em alguns navios.
Eliminação do leme.
Flexibilização e liberação de espaço na praça de máquinas como
ilustrado na Figura 17.
Redução do tempo e custo de manutenção, pois o POD ou casulo
pode ser retirado e rapidamente reparado ou substituído por uma
unidade similar sem necessidade dry-dock e cortes no casco.
Figura 17 - Impulsionador (thruster) azimutal tipo POD [ABB]
2.5. Vantagens da Propulsão Elétrica
Conforme comentado nos tópicos anteriores, a escolha do tipo de propulsão
dependerá do tipo de navio, o qual definirá os requisitos necessários para operação perto
do ponto ótimo, com menor consumo de combustível e consequente redução das
emissões. A propulsão elétrica é mais atrativa para navios de cruzeiro e militares. Por
outro lado, para embarcações mercantes que operam a maior parte do curso em velocidade
constante, a propulsão elétrica não é a melhor opção.
21
É fácil compreender este fato já que os equipamentos de controle de velocidade não
seriam necessários, o que diminuiria os custos de instalação e manutenção, além das
perdas nos equipamentos elétricos. Para estes casos de operação a plena carga seria mais
viável optar pela propulsão mecânica. Para navios que operem a maior parte do tempo
fora da condição de plena carga, a perda de potência na propulsão elétrica nas conversões
de energia são compensadas pelo ganho de eficiência nas operações de condição de cargas
parciais.
A utilização de propulsão elétrica em navios que operam em regiões de gelo (ice-
goingship) foi introduzida por volta de 1939, quando o navio quebra-gelo (icebreakership)
finlandês chamado SISU (SISU icebeakership) foi entregue com sistema de propulsão
elétrico utilizando acionamento Ward-Leonard com motor de corrente contínua. Desde então,
vários tipos de sistemas de propulsão elétrica tem sido usados por centenas de navios quebra-
gelo e por navios que operam em regiões de gelo com potência de propulsão de
aproximadamente 50 MW.
Nesse sentido, algumas vantagens [9] deste tipo de propulsão, em crescente
aplicação e desenvolvimento, são apresentadas a seguir neste trabalho.
Maior disponibilidade de potência para outros fins: a propulsão elétrica, devido aos
grupo geradores, permite a utilização da energia de propulsão para outras finalidades,
como hotelaria em cruzeiros.
Mais espaço útil na embarcação: a utilização de cabos elétricos elimina o
acionamento mecânico que exige uma operação dos motores, engrenagens redutoras,
eixos e hélices numa mesma linha e num mesmo plano (deck) na parte mais baixa do
navio. Com isso, a propulsão elétrica torna possível uma instalação mais adequada dos
equipamentos e componentes do navio em locais que permitam a utilização mais eficiente
do espaço. Isto permite que os motores da turbina do navio sejam localizados na parte
superior do navio reduzindo a quantidade de espaço interior necessário para os dutos que
levam ar para a sala de máquinas e retiram os gases produzidos pelos motores. A
propulsão elétrica permite liberar espaço a bordo promovendo uma maior capacidade
logística para transporte de carga e pessoas.
Menos vibração e ruído: para navios de cruzeiro, principalmente, onde o conforto
de bordo é almejado, a propulsão elétrica é mais interessante. Os níveis de ruído e
22
vibração são reduzidos pela eliminação das grandes caixas de engrenagens redutoras,
comuns na propulsão mecânica.
Maior flexibilidade: na propulsão mecânica, são utilizados diversos equipamentos
de grande porte, além de exigir que a máquina primária e estes equipamentos estejam
próximos ao propulsor. No caso da propulsão elétrica, os geradores e os cabos que
alimentam os motores de propulsão podem ser localizados em qualquer lugar do navio o
que é menos restritivo do que volumosas linhas de eixo mecânico, possibilitando uma
maior flexibilidade e otimizando a utilização do espaço do navio.
Maior confiabilidade: no mar, a confiabilidade é um fator crucial. Na propulsão
elétrica é possível isolar o equipamento rapidamente e redistribuir energia elétrica em
situação de acidente. A confiabilidade é aumentada pelo aumento do número de
redundâncias, como cabos elétricos e motores, o que não ocorre nos longos, pesados e
retilíneos eixos em sistemas mecânicos. Mesmo que ocorra um defeito ou até uma falha
em algum motor, é possível manter o sistema propulsivo operacional, em casos de
emergências, não deixando a embarcação a deriva.
Maior manobrabilidade: as operações de manobra e de cruzeiro são flexíveis uma
vez que a velocidade do navio pode ser variada com um motor elétrico de velocidade
ajustável, em oposição aos passos discretos das engrenagens mecânicas. A propulsão
usando pods permite que o navio vire em raios menores e permite também alterar a
direção ou orientação do navio, mesmo a velocidades muito baixas. Além disso, a
velocidade e a direção da máquina primária não precisa ser alterada para variar
velocidade, direção e rotação do hélice. Para navios quebra-gelo, balsas, rebocadores,
embarcações oceanográficas, navios de lançamento de cabos PLSV que requerem
mudança frequente de velocidade e reversão de direção, a propulsão elétrica oferece uma
grande vantagem sobre a propulsão mecânica. A velocidade e o sentido de rotação do
hélice do propulsor elétrico podem ser alteradas rapidamente em locais remotos, o que
torna possível colocar o controle do navio diretamente nas mãos do piloto do navio ou
em computadores de posicionamento dinâmico. É largamente utilizado nos sistemas de
posicionamento dinâmico de plataformas de petróleo e navios aliviadores de FPSO´s.
Menos manutenção: na propulsão elétrica as engrenagens são substituídas por
motores de velocidade variável, e os eixos são substituídos por cabos para transmissão de
23
energia, eliminando assim a principal tarefa de manutenção em navios com acionamento
mecânico convencional, que é o alinhamento dos principais componentes (engrenagens
redutoras, eixo principal, popa). Na aplicação de pods como propulsores ou
impulsionadores tipo tunel [15], para manobras de proa, a manutenção e o reparo são
ainda mais reduzidos pelas razões já comentadas anteriormente no comparativo aos
azimutais convencionais tipo Z. Deve-se considerar que com a redução das máquinas
primárias e das máquinas auxiliares, também há uma redução no custo de materiais e
serviços relacionados a manutenção.
Redução do consumo de combustível: a redução do número de máquinas primárias
devido ao uso da propulsão elétrica e do sistema de energia integrado e a eficiência
hidrodinâmica da propulsão usando “pod” permite uma redução significativa no consumo
de combustível. Outro aspecto é que as máquinas primárias podem operar no ponto de
máximo rendimento independente da velocidade de rotação da hélice, otimizando assim
o consumo de combustível e consequentemente redução do custo de combustíveis. A
redução no consumo de combustível também reduz o espaço necessário para o
armazenamento do combustível liberando espaço para outras finalidades. Vale destacar
que a economia ao longo da vida útil proporcionada pela redução do consumo de
combustível pode ultrapassar o maior custo inicial na aquisição devido a utilização de
propulsão elétrica.
Aumento da vida útil do navio: os geradores de bordo alimentam simultaneamente
a propulsão, os sistemas auxiliares, sistemas elétricos, sistemas de navegação, hotel, etc.
através de um sistemas redundante e flexível. Os geradores são projetados para
funcionamento do navio em velocidade máxima com todos os sistemas essenciais em
funcionamento. Desta forma, em velocidade normal, há uma folga na geração de energia,
o que pode permitir a inclusão de novas cargas devido a reforma e modernização,
consequentemente aumentando a vida útil do navio. Outro aspecto é que o conjugado
suave e a variação continua da velocidade da propulsão elétrica proporciona menores
oscilações transitórias e desgastes nos eixos e acoplamentos do motor e menores
transitórios térmicos no motor, resultando em aumento na vida útil de todos os
equipamentos envolvidos.
Redução na emissão de poluentes: os órgãos ambientais como a MARPOL têm
exigido que os novos navios e os navios já em funcionamento apresentem redução na
24
quantidade de poluentes emitidos (gasosos, líquidos e sólidos), que estão cada vez mais
monitorados e as legislações cada vez mais rigorosas. A propulsão elétrica gera menos
gases poluentes que os sistemas de propulsão convencionais (turbinas a vapor ou grandes
motores diesel), pois o motor diesel, máquina primária que aciona o gerador, opera
constantemente no ponto de máximo rendimento (ponto ótimo), proporcionando redução
no consumo de combustível e consequentemente uma menor liberação de gases
poluentes. A Figura 18 apresenta um comparativo de emissões entre sistemas de
propulsão naval.
Figura 18 - Estudo comparativo de emissões entre sistemas propulsivos [ABB]
Os avanços tecnológicos na geração de energia permitirão substituir as atuais
máquinas primárias (motores diesel, turbina a gás, ou turbinas a vapor) e geradores por
novas tecnologias de geração de energia mais eficiente, incluindo equipamentos de
conversão direta de energia, como células combustíveis, uma forma de geração de energia
elétrica por meio de energia química. Isto poderá economizar combustível e reduzir custos
operacionais e ajudar a atender a evolução das normas ambientais, relevantes nos novos
projetos.
Um novo conceito em crescente desenvolvimento são as instalações navais em
corrente contínua, que poderiam utilizar energia gerada diretamente das células
combustível e fotovoltaicas, além de manter os conversores de frequência nos propulsores
e impulsionadores azimutais. Uma grande vantagem seria a diminuição no peso total de
equipamentos elétricos, visto que, por exemplo, diminuiriam-se o número de
25
transformadores e quadros de distribuição em CA para alimentação dos propulsores
azimutais e das demais cargas da embarcação.
Além disso, todos os conversores ficariam num mesmo barramento, melhorando a
distribuição espacial. No entanto esta é uma técnica ainda pouco aplicada na indústria
naval. A Figura 19 apresenta uma comparação com o sistema alternado convencional,
onde os trafos da configuração CA foram removidos (círculos vermelhos) [21]. Na Figura
20 é ilustrado o sistema CC com detalhe para os propulsores tipo azipod da ABB.
Figura 19 - Comparação entre sistemas elétricos navais em CA e em CC [21]
Figura 20 - Sistema Elétrico Naval em CC [21]
Como mencionado anteriormente, a propulsão elétrica tem como desvantagem um
maior custo inicial e menor eficiência de energia para navios que operam em velocidade
de plena carga na máquina primária, tais como navio cargueiro e navio petroleiro.
Entretanto, grandes empresas como a ABB, GE e Rolls Royce, atualmente, desenvolvem
tecnologia de propulsão elétrica híbrida onde são combinados mais de um tipo de fonte
de energia.
26
Navios do tipo PSV's - Platform Support Vessel - navios de apoio a plataformas
assim como os PLSV's - Pipe-Laying Support Vessel - navios de lançamento de linhas,
risers ou umbilicais, são exemplos na indústria naval e offshore onde a aplicação da
propulsão elétrica é largamente explorada.
2.6. Sistemas de Gerenciamento de Energia (PMS)
A energia é fundamental nas operações de todas as indústrias, sem exceção. Sendo
assim, o correto gerenciamento dela permite melhores resultados de produção com altos
índices de qualidade, segurança e meio ambiente.
Os sistemas de gerenciamento de energia são mais conhecidos do inglês Power
Management System ou PMS. A Figura 21 apresenta um painel elétrico de uma instalação
onde há Interação Homem-Máquina, IHM (Human Machine Interface), via telas de
controle e monitoramento de variáveis de equipamentos alimentados por este painel. Este
painel pode ser conectado ao sistema PMS central da instalação, tendo acesso às variáveis
visualizadas na IHM.
Setores industriais que necessitam de energia em alta intensidade requerem que este
fornecimento seja estável e confiável para os motores que acionam compressores,
bombas, ventiladores e demais máquinas. Além disso, há instalações que operam em
regiões nas quais o abastecimento público de energia elétrica não é confiável ou
praticamente inexiste, fazendo com que dependam fortemente de suas próprias
capacidades de geração.
Uma parada não programada em, por exemplo, uma refinaria ou planta de gás
natural liquefeito (LNG - Liquefied Natural Gas), podem resultar em vários dias de
produção perdida devido à perda total de energia. Quando convertemos essa situação em
custos, isto representa um valor superior a $10 milhões.
Devido a esta dependência de energia elétrica e da volatilidade dos custos de
energia, combinadas com uma crescente consciência ambiental e uma legislação mais
rigorosa, o gerenciamento eficiente da energia está se tornando cada vez mais requisitado.
27
Figura 21 - Painel elétrico com IHM conectada ao PMS [26]
O PMS equilibra demanda de energia com o fornecimento disponível de
eletricidade, evitando perturbações ou até mesmo blackouts nas operações. Além disso,
permite que a empresa controle seus gastos em energia, aumente a segurança e reduzam
os impactos ao meio ambiente e à saúde.
Em linhas gerais, um PMS é projetado para monitorar, controlar e proteger todos
os setores de uma planta de processo ou linha de produção com alta demanda de energia.
As funções de controle são disponibilizadas por meio de uma interface única, flexível e
bem organizada, sendo estas conhecidas como estações de operação remota que permitem
aos operadores trabalhar de forma mais eficiente.
A integração de dados da planta e o uso de ferramentas avançadas reduzem a
necessidade de intervenções dos operadores no processo, minimizando a possibilidade de
erros de operação e até possíveis acidentes [27].
Na indústria naval e offshore, o PMS também exercerá a mesma função que nas
demais plantas industriais onshore, de terra, isto é, de gestão de energia e ser responsável
por controlar o sistema elétrico. Sua tarefa é ter certeza de que o sistema elétrico é seguro
e eficiente. Se o consumo de energia é maior do que a capacidade de produção de energia,
redução de carga é usado para evitar a parada. Outras características poderiam ser a
partida ou desligamento automático da planta (por exemplo, geradores Diesel) conforme
variação da carga. A Figura 22 apresenta o diagrama elétrico unifilar de uma instalação
offshore, enquanto a Figura 23 mostra uma outra tela com o desenho da embarcação e a
localização de cada propulsor ou impulsionador. Neste caso, basta-se selecionar o
28
equipamento para obter maiores detalhes, como por exemplo, potência consumida
naquele instante.
Figura 22 - Diagrama unifilar de quadro de distribuição visto por PMS [26]
Figura 23 - Visão geral de um PMS para embarcação offshore [26]
Um eventual shutdown, ou seja, uma parada não programada devido a alguma
falha de equipamento terá um impacto menor numa planta com PMS e sistemas de
automação bem elaborados que isolarão o barramento em falha de forma mais eficaz e
29
rápida. Com o isolamento do barramento, segundo a filosofia de proteção e seletividade,
o PMS poderá acionar geradores Diesel em standby para suprir as cargas essenciais e
retornar rapidamente com a planta para evitar perdas de produção. O sistema de
isolamento de cargas geralmente é feito por meio de controladores lógicos programáveis,
os CLPs, de compartilhamento e limitação de cargas ou mais conhecidos como load
sharing e load shedding PLCs.
Além disso, sistemas de propulsão elétrica podem ser integrados ao PMS para
facilitar o monitoramento e controle dos propulsores e impulsionadores. Por meio de
variáveis coletadas nestes atuadores e lidas nas telas do PMS, torna-se fácil e mais flexível
a possibilidade de manobra remotamente, com visualização das potências dos motores
elétricos e intervenção correta, de modo a manter a embarcação e o sistema elétrico
estáveis e eficientes. Na Figura 24 é apresentada uma tela de visualização de um
impulsionador (thruster) azimutal retrátil tipo pod, integrado ao PMS. Na tela é possível
monitorar variáveis como temperatura do enrolamento do motor elétrico, sistema de
arrefecimento, ângulo, rotação, potência, etc.
Figura 24 - Tela de impulsionador azimutal retrátil tipo POD [26]
Com relação aos benefícios do sistema de gerenciamento de energia, PMS, são
apresentados alguns deles a seguir.
monitoramento e controle de geradores Diesel, turbinas a gás e a vapor
30
segurança do motor Diesel na partida e parada
sincronização dos disjuntores e re-conexão ao barramento
controle de tensão e frequência dos barramentos
controle de tensão e frequência dos geradores
carga do gerador em KW e percentual
o compartilhamento de carga simétrico ou assimétrico
o controle de carga com corte de carga
separação de alarme, controle e segurança
controle único ou múltiplo dos painéis
lógica para cargas pesadas
restabelecimento de planta automático após apagão/shutdown
ajuste de frequência de linha automático
controle de propulsão Diesel-elétrica
Em unidades offshore de produção de óleo e gás, como as unidades flutuantes de
produção, armazenamento e alívio, ou FPSO (Floating Production Storage and
Offloading), apresentado na Figura 25, o sistema de gerenciamento de energia é integrado
ao sistema de automação da embarcação, bem como a planta de processo, o principal
produto da mesma.
O controle é feito pelas unidades de processo distribuídas, interação do operador é
feito a partir interface de fácil leitura e gráficos por meio de quadros nas estações de
operação remota, ou localmente a partir da estação de operação local.
Com a grande descoberta da camada do pré-sal no Brasil, por parte da Petrobras, a
demanda por unidades flutuantes de produção, armazenamento e alívio, FPSO's, tem
aumentado a cada ano que passa. Em alguns casos, estes FPSO´s, quando não ancorados,
utilizam sistemas DP que requerem bastante energia elétrica para acionamento dos
31
propulsores ou impulsionadores, thrusters. As reservas de óleo e gás estão a uma
profundidade que variam entre 1.000 a 2.000 metros de lâmina d'água (da superfície até
o leito do oceano) e entre 4.000 e 6.000 metros de profundidade no subsolo, chegando
portanto a até 8.000 metros da superfície do mar, incluindo uma camada que varia de 200
metros a 2.000 metros de sal. Para atender a grande demanda de energia estas unidades
offshore podem gerar cerca de 100 MW de potência elétrica por meio de turbinas movidas
pelo próprio gás extraído do processo. Além disso, estes FPSO´s passam periodicamente
por operações de offloading, onde o óleo é descarregado em um navio tanque que se
mantém próximo do FPSO por meio de sistema DP.
Figura 25 - FPSO Cidade de Itaguaí com geração de 113MW de energia elétrica
2.7. Tipos de Motores Elétricos para Propulsão
Como acionador do hélice, o motor elétrico é, sem sombra de dúvida, uma parte
importante do sistema de propulsão elétrica. Desse modo, uma correta avaliação dos tipos
presentes e aplicáveis a indústria naval e offshore deve ser estudada para se atingir bons
resultados de desempenho, manutenção, confiabilidade, além de outros aspectos
relevantes.
Características importantes para os motores utilizados em sistemas tipo POD são a
alta densidade de conjugado, alto fator de potência, baixa massa e volume e alta
confiabilidade. O motor deve funcionar a baixa velocidade com alto conjugado e alto
desempenho. Na prática, o binário ou conjugado (T) e a potência (P) de eixo do motor
são calculados pelas simples fórmulas:
32
T = P
𝜔 𝑒𝑚 [𝑁. 𝑀] 𝑜𝑢 P =
2π ∗ T ∗ RPM
60 𝑒𝑚 [𝑊]
T N.m = 9.80665003 × T kgf.m ou T kgf.m = 0.101971621 × T N.m
Vale relembrar que a rotação da máquina síncrona é regida pela seguinte fórmula:
𝑁s = 120 ∗ 𝑓
𝑝 𝑒𝑚 [𝑅𝑃𝑀]
onde f é a frequência elétrica fornecida pela rede ou gerador da máquina primária
nas embarcações e p é o número de pólos do motor. Em suma, está será a velocidade com
que a onda de campo magnético irá girar no estator da maior parte das máquinas elétricas
rotativas.
Para obter uma boa confiabilidade, são utilizados enrolamentos duplos no estator.
Cada enrolamento tem seu conversor separado para se certificar de que o motor pode
manter em curso, com menos energia, mesmo se um sistema falhar.
Dentre os motores encontrados, o motor síncrono de excitação brushless ou
Brushless Excitation Synchronous (BLSM) é o mais comum em aplicações do tipo
azimutal pod. O termo brushless significa que este motor não utiliza escovas para o
sistema de excitação, que irá gerar a corrente de campo, responsável pelo campo
magnético contínuo. Entretanto, os motores de indução (MI) e os motores síncronos de
ímãs permanentes (PMSM ou MSIP) estão se tornando mais comuns. Uma breve
descrição de cada um dos motores mencionados é apresentada a seguir [29] [30].
Motor de Indução (MI): É o motor mais comum em aplicações industriais em
faixas de baixa e média potência, devido à sua robustez e baixo custo de fabricação. Não
é comum em aplicações de alta potência, uma vez que o motor síncrono tem melhor
eficiência para maior potência. O MI também pode ser referido como motor assíncrono.
Correntes são induzidas no rotor pelo princípio de indução eletromagnética, o que
significa que não há necessidade de ligações externas para o rotor, apenas no estator. Uma
ilustração de um MI é mostrado na Figura 26, em que o rotor é do tipo gaiola, o mais
comum entre motores de indução. O motor gira ligeiramente mais lento do que a
velocidade síncrona devido ao escorregamento ou deslizamento que é necessário para que
33
as correntes sejam induzidas e, deste modo, o conjugado seja produzido. Na Figura 27 é
mostrado o circuito elétrico típico de um MI.
Figura 26 - Ilustração básica do MI tipo gaiola [29]
Figura 27 - Circuito equivalente do MI [29]
A principal vantagem do MI é sua robustez e baixo custo de fabricação. Uma vez
que não há necessidade de enrolamentos ou excitatriz pode ser mais compacto do que o
motor síncrono convencional, o que é uma vantagem para propulsão tipo pod. Acredita-
se que o uso do MI vai aumentar em aplicações de alta potência por causa de melhores
conversores de freqüência para controlá-los. Os motores de indução padrão normalmente
não são adequados para as operações de baixa velocidade, já que sua eficiência diminui
com a redução da velocidade. Eles também podem ser incapazes de entregar binário ou
conjugado suficientemente suave em toda a faixa de velocidade mais baixa. Isto pode ser
resolvido por uma caixa de velocidades ou gearbox na indústria, mas este não muito
apropriado para sistemas de propulsão tipo pod.
Motor Síncrono Brushless (BLSM): Os motores síncronos são utilizados
principalmente em aplicações de alta potência [28]. Em motores síncronos o rotor é
alimentado em CC a partir de uma fonte externa, a excitatriz. Existem dois tipos de
excitatriz, brushless e com escovas. Na propulsão tipo POD é utilizado o tipo brushless.
Quando se utiliza excitação sem escovas, um gerador é montado sobre o mesmo eixo que
34
o rotor e gera CA que é convertida em CC através de um diodo retificador. O enrolamento
trifásico do rotor é conectado a uma ponte de diodos retificadores, isto é, o retificador
está ligado ao rotor do motor síncrono por meio de cabos fixados ao eixo. A configuração
com excitação sem escova ou brushless em conjunto com um motor síncrono pode ser
vista na Figura 28.
Figura 28 - Excitatriz brushless montada no mesmo eixo do motor síncrono [29]
O circuito elétrico equivalente do motor síncrono pode ser simplificado como
mostrado na Figura 29.
Figura 29 - Circuito equivalente do motor síncrono [29]
Os enrolamentos do estator são indutivos e resistivos sendo representados por Ra e
Xs, respectivamente. O campo rotativo produzido pela corrente contínua no rotor induz
uma tensão nos enrolamentos do estator representada por Ea, força contra eletromotriz.
Motor Síncrono de Ímãs Permanentes (MSIP): O princípio básico de um MSIP ou
Permanent Magnets Synchronous Motor (PMSM) está no fato de que os enrolamentos do
rotor foram substituídos por imãs permanentes. Uma ilustração disto pode ser visto na
Figura 30, onde o rotor, neste caso, tem dois pólos, mas este pode ser ajustado de acordo
com a velocidade requerida. O MSIP é um motor síncrono e o seu estator funciona da
35
mesma maneira como a descrita acima no BLSM. É por isso que ele pode ser representado
com o mesmo circuito equivalente que o BLSM na Figura 29. A diferença está no fato
de a contra-fem, tensão induzida Ea, neste caso, não ser controlável através do rotor uma
vez que o fluxo dos ímãs é constante.
Os MSIP são normalmente encontrados em potências de cerca de 100W a 100 kW
e em algumas aplicações de propulsão tipo POD existem motores de ímãs permanentes
de até 11MW. Hoje, o desenvolvimento é principalmente em ímãs de terras-raras que, no
entanto, ainda são muito caros.
A maior vantagem do MSIP é a construção simples do rotor uma vez que não há
necessidade de enrolamentos de excitação e, portanto, obtém-se um tamanho reduzido
em comparação com os demais motores síncronos. Dado que não existem correntes no
rotor, as perdas por calor são reduzidas.
Uma desvantagem deste tipo de máquina é o risco de desmagnetização sob alta
temperatura de operação que, no entanto, é parcialmente resolvida quando aplicada em
sistemas de propulsão azimutais do tipo pod, onde o motor fica submerso com sua carcaça
em contato com a água do mar que acelera a troca térmica.
Figura 30 - Ilustração básica do MSIP [29]
Até o atual cenário da indústria, esses motores são concebidos, em sua grande
maioria, para uma fonte de alimentação de três fases. No entanto, os motores multifásicos
têm ganhado cada vez mais espaço por apresentar vantagens como o aumento de
confiabilidade por tolerância a falta de fase, muito importante não só na indústria naval e
offshore mas também na indústria automobilística e de transportes em geral.
Em [27] foi realizada a avaliação de vários motores considerados para propulsão
elétrica de navios. Foram examinados os seguintes motores: motor de indução, motor
36
síncrono com enrolamento de campo, motor síncrono de ímãs permanentes, motor
síncrono com materiais supercondutores e motor homopolar de corrente contínua com
materiais supercondutores. A avaliação revelou que o motor síncrono de ímãs
permanentes é a melhor opção para propulsão elétricas de navios quando se leva em
consideração a maturidade da tecnologia, a densidade de potência e o desempenho
acústico. A tecnologia de ímãs permanentes atende aos requisitos importantes de tamanho
da máquina e manutenção mínima do rotor, muito apreciados pelo mercado.
2.8. Conversores de Frequência em Propulsão Naval
A eletrônica de potência foi um dos motivos mais importantes para a retomada da
propulsão elétrica no cenário naval mundial. Esta área da engenharia elétrica estuda a
aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na
conversão e no controle da energia elétrica em níveis de potência compatíveis com a
propulsão naval. Apesar de não ser escopo deste trabalho vale ressaltar que existem dois
tipos de inversores no mercado: Escalar e Vetorial. No inversor Escalar a base do controle
de conjugado é a relação tensão frequência, V/F constante. Os inversores Vetoriais
também conhecidos pelo modo de controle por orientação de campo – FOC, sendo o nome
vetorial devido ao fato de que para ser possível este controle, é feita uma decomposição
vetorial da corrente enviada ao motor nos vetores que representam o conjugado e o fluxo
no motor, de forma a possibilitar a regulação independente do conjugado e do fluxo.
Além da propulsão naval, estes dispositivos de estado sólido têm aplicações
crescentes em diversas áreas da engenharia, como é o caso da propulsão automotiva,
ferroviária e metroviária, além das aplicações em transmissão de grandes potências em
corrente contínua [24]. A Figura 31 a seguir ilustra o esquema elétrico de alimentação
de um propulsor pod, em que por questões de segurança e confiabilidade, são alimentados
dois enrolamentos por fase.
37
Figura 31 - Esquema unifilar de alimentação de propulsor pod
O grupo de comutadores controláveis permitiu uma série de novas topologias de
conversor. O grupo de chaves controladas inclui vários tipos de dispositivos
semicondutores, incluindo GTO (Gate Turn off thyristor, desligamento pelo gate ou
porta), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor bipolar de porta isolada), e
IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor, tiristor controlado por porta integrada).
A Tabela 1 mostra as características, os tipos e as aplicações das diferentes
categorias de semicondutores de potência. Estes dispositivos dissipam energia, de modo
que o excesso de dissipação não só pode destruí-los, mas também pode danificar outros
componentes do sistema. Circuitos de amortecimento são usados para modificar as
formas de onda de comutação de chaves ou comutadores controláveis. As grandes
empresas de propulsores POD considerados na tabela abaixo foram a suíça ABB e a
britânica Rolls Royce (RR).
Tabela 1 – Comparação entre os diferentes semicondutores de potência
Diodo Tiristor Chave Controlada
Característica Liga (sem controle) Liga por sinal Liga e Desliga por sinal
Tipos Diodo Tiristor
GTO
IGBT(RR)
IGCT(ABB)
Aplicações Retificadores
-Retificadores
-LCI (RR)
-Ciclo conversores (ABB)
-Retificadores
-VSI (ABB,RR)
38
Os conversores de frequência normalmente utilizados em aplicações marítimas são
os ciclo conversor (Cycloconverter), inversores fonte de tensão (VSI - Voltage Source
Inverters) e inversores de comutação pela carga (LCI - Load Commutated Inverters).
Dentre os dispositivos de comutação em conversores de frequência, os diodos, os
tiristores e as chaves controladas são utilizados.
Os conversores VSI diferem dos demais pelo uso de chaves controláveis ao invés
de tiristores. O VSI é um resultado do desenvolvimento técnico de semicondutores de
potência. As chaves de potência podem ser ligadas e desligadas, de modo que a tensão de
saída pode ser controlada por PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação por Largura
de Pulso. O conversor é, portanto, muitas vezes referido como VSI-PWM. Uma vasta
gama de chaves controladas existe, sendo que a ABB utiliza Tiristor Controlado por Porta
Integrada ou IGCT e a Rolls Royce (RR) usa Transistor Bipolar de Porta Isolada ou IGBT.
O conversor de VSI é o conversor de freqüência mais comum em aplicações
industriais e, provavelmente, será o mais comum, em aplicação navais e offshore dentro
de alguns anos [12]. A Tabela 2 apresenta uma comparação entre os tipos de conversores
utilizados em embarcações com propulsão tipo pod.
Tabela 2 – Comparação entre as diferentes conversores para propulsores pod
LCI Cycle VSI-PWM
Pod (empresa) Mermaid (RR) Azipod (ABB) Compacto, Azipod (ABB),
Mermaid (RR)
Vantagens
Construção simples e
confiável;
Simplicidade do
sistema de controle
Alto conjugado em
baixa velocidade
Preciso, flexível e de alta
performance
Desvantagens Baixo conjugado em
baixa velocidade Construção complexa
Rápida comutação dos
semicondutores gera
fluxo de corrente de alta
freqüência e rápido
aumento de tensão.
Para controlar os conversores VSI, a técnica PWM é normalmente utilizada. Para
criar o PWM, comutadores controláveis devem ser utilizados. A forma de onda desejada
é criada com um sinal de controle senoidal à frequência desejada em relação a uma forma
de onda triangular. Quando o valor do sinal de referência é maior do que a forma de onda
39
de modulação triangular, o sinal PWM está no estado alto, caso contrário, está no estado
baixo. A Figura 32 apresenta o princípio de funcionamento do PWM para uma fase.
Figura 32 - Princípio básico do PWM [29]
No PWM de três fases, a mesma forma de onda triangular de tensão é comparada
com três formas de onda senoidais que estão fora de fase de 120º. Para máquinas
multifásicas, o princípio é o mesmo, com a diferença do ângulo de defasagem,
principalmente. No caso do MSIP, abordado neste trabalho, o intervalo será de 72º entre
cada fase, visto que são cinco fases distribuídas fasorialmente no círculo de 360º.
O motor é controlado pela tensão de saída do conversor e, por conseguinte, o
controle do conversor é uma parte vital no sistema de acionamento. O objetivo do
conversor é produzir uma saída senoidal simples, com amplitude e frequência variáveis,
que podem ser conseguida por meio de diferentes tipos de controle. A Figura 33 apresenta
modelos de inversores disponíveis no mercado.
Figura 33 - Inversores de frequência [WEG e Siemens]
Uma desvantagem dos conversores de frequência está em sua contribuição com
efeitos negativos sobre o resto do sistema elétrico, efeitos estes conhecidos como
distorção harmônica.
40
A distorção harmônica, também conhecida como efeito de frequência de
alimentação é a mudança da forma de onda da tensão de alimentação a partir da forma de
onda senoidal ideal. Ocorre quando uma carga conectada na rede é não-linear, ou seja,
não apresenta correntes senoidais. Estas correntes de carga distorcem as tensões
senoidais. Inversores de frequência consomem correntes pulsantes da rede de
alimentação. Além disso, o sistema de potência tem uma impedância inevitável que
restringe o fluxo de corrente e leva a uma queda de tensão entre a subestação de
alimentação e a carga conectada.
A componente de frequência de alimentação é a chamada de fundamental e os
componentes de frequência mais elevadas são múltiplos da frequência de alimentação e
são chamados harmônicos. A distorção causada por um determinado harmônico é
calculada pela razão entre a frequência deste harmônico com a frequência fundamental.
No caso mais geral, deseja-se calcular o total de distorção harmônica inserido no sistema
e, desta forma, calcula-se o chamado THD (Total Harmonic Distortion). A Figura 34
apresenta uma análise de distorções harmônicas.
Figura 34 - Análise de harmônicas em ondas separadas e somadas (inferior) [29]
As correntes harmônicas aumentam as perdas nos equipamentos conectados ao
sistema, o que pode levar a um sobreaquecimento e consequente redução da vida útil do
equipamento. Especialmente geradores e a correção de fator de potência podem ficar
comprometidos. A forma de onda distorcida pode causar interferência eletromagnética se
o equipamento não tiver sido projetado para esta distorção. Estes efeitos negativos
estabelecem a importância de se limitar a distorção harmônica [32].
Uma técnica para reduzir os efeitos de harmônicos é aumentar o número de pulsos,
isto é, aumentar o númenro de vezes com que a corrente é pulsada e, portanto, reduzir a
41
corrente consumida durante cada impulso, diminuindo assim as quedas de tensão. Isso
afeta a corrente média demandada e, portanto, reduz a harmônica entregue de volta para
o sistema. O conversor básico tem 6 pulsos e com este método passaria a 12 pulsos, por
exemplo. O inversor de 12 pulsos tem duas unidades de retificação com 6 dispositivos
retificadores cada [29]. Uma ilustração das formas de onda de corrente é apresentado na
Figura 35.
Figura 35 - Diferença entre corrente geradas por conversores de 6, 12 e 24 pulsos [29]
O grau de anulação de harmônico aumenta com cada adição de um retificador de
6 pulsos. A desvantagem deste método é a redução dos ganhos de eficiência,
principalmente devido às perdas adicionais nos transformadores extras instalados na
embarcação. Apesar de 12 pulsos ser a solução mais comum, existem conversores com
18, 24, 36 e até mesmo 48 pulsos [29] [33]. A Figura 36 apresenta uma topologia de
conversor tipo VSI para acionamento de motor trifásico. Na Figura 37 são apresentados
conversores de 6 e 12 pulsos.
Figura 36 - Topologia de um conversor VSI para acionamento de motor trifásico [29]
Figura 37 - Esquema elétrico dos conversores VSI de 6 e 12 pulsos [29]
42
Uma outra solução bastante utilizada para reduzir a distorção é a utilização de
filtros passivos e ativos, como mostrado na Figura 38 nas laterais do barramento. O filtro
ativo injeta corrente para compensar as correntes harmônicas. A Figura 39 apresenta este
esquema de forma resumida, apenas com os nomes dos equipamentos elétricos.
Figura 38 - Unifilar de propulsão elétrica com motor síncrono brushless e filtros [13]
Figura 39 - Componentes do sistema propulsivo elétrico [13]
No escopo deste trabalho, para o acionamento do MSIP foi utilizado um inversor
pentafásico. O inversor pentafásico desenvolvido em [23] é do tipo controlado por tensão
(VSI).
43
Cada chave do circuito consiste de dois dispositivos semicondutores de potência,
conectados em antiparalelo. Um deles consiste em um IGBT e o outro um diodo. Tais
chaves são consideradas ideais (comutações ideais sem queda de tensão) [23]. Este
inversor, com entrada de tensão CC constante, é apresentado na Figura 40.
Figura 40 - Inversor pentafásico
44
Capítulo 3. MÁQUINAS ELÉTRICAS MULTIFÁSICAS
Antes de apresentar as máquinas multifásicas, vale comentar sobre o padrão de
acionamento e sistemas elétricos disponíveis na indústria. Nesse sentido, as máquinas
trifásicas de indução e síncronas de rotor cilíndrico são projetadas normalmente com
enrolamento distribuído no estator que produz uma distribuição de força magnetomotriz
(FMM) quase senoidal e são alimentadas com correntes senoidais. As máquinas síncronas
com distribuição de fluxo trapezoidal são alimentadas com correntes retangulares. Por
outro lado, as máquinas multifásicas são mais versáteis, o enrolamento do estator pode
ser projetado para produzir distribuição de FMM quase senoidal ou quase retangular
usando-se enrolamento distribuído ou concentrado respectivamente. As máquinas
multifásicas que produzem distribuição de FMM quase senoidal, são denominadas
também como máquinas com FMM senoidal. Para máquinas multifásicas, uma
distribuição de FMM quase senoidal exige o uso de mais de uma ranhura por polo e por
fase. Conforme aumenta o número de fases, torna-se progressivamente difícil de realizar
uma distribuição FMM quase senoidal. Como a distribuição espacial de fluxo nunca é
perfeitamente senoidal, a presença de harmônicas espaciais é inevitável [40].
A Figura 41 apresenta um esquema de alimentação e controle de um Motor
Síncrono de Ímãs Permanentes tolerante a falta de fase. Os MSIP´s ou PMSM´s são
considerados motores de última geração em propulsão POD, principalmente para os
fabricantes ABB e Rolls Royce.
Figura 41 – Esquema de alimentação e controle do MSIP/PMSM pentafásico
45
Atualmente, a maioria das aplicações de velocidade variável utilizam acionamentos
com motores trifásicos. Existe disponibilidade comercial de uma grande variedade de
motores e inversores trifásicos. Com o rápido avanço da eletrônica de potência e da
tecnologia de integração de componentes eletrônicos, o acionamento de motores por
inversores com controle digital passou a ser usado na maioria das aplicações. A utilização
de motores acionados por inversores eliminou as limitações do número de fases,
possibilitando a utilização de motores multifásicos (com mais de três fases) em aplicações
especiais. Pesquisas recentes têm demonstrado que as máquinas multifásicas oferecem
vantagens significativas em relação às máquinas trifásicas convencionais. O aumento do
número de fases permite obter maior produção de conjugado por ampère para o mesmo
volume de uma máquina.
Um ponto interessante nestas máquinas é o aumento na densidade de conjugado e
na densidade de potência que reduz as perdas resistivas totais nos enrolamentos do estator
das máquinas multifásicas. No acionamento de um motor multifásico, a potência total é
distribuída em um número maior de fases, de modo que elevados níveis de potência
podem ser obtidos, sem aumentar a tensão e a corrente nominal dos dispositivos
semicondutores. Outra importante vantagem do acionamento é que o aumento no número
de fases reduz as oscilações do conjugado de saída e melhora as características de ruído.
Do ponto de vista da eletrônica de potência, o aumento do número de fases do motor
também é vantajoso por reduzir o tamanho do filtro de entrada, pois as harmônicas de
corrente têm amplitudes menores e frequências maiores. O sistema de acionamento de
um motor multifásico permite a injeção de harmônicas possibilitando controlar vários
motores com um único inversor e permite também o aumento do conjugado devido à
injeção no estator de correntes harmônicas de baixa ordem. Este aumento só é possível
em motores com enrolamento concentrado. Aplicações especiais de alta potência e alto
desempenho exigem alta eficiência e funcionamento confiável do sistema de acionamento
do motor. O acionamento de motores multifásicos são usados nestas aplicações para
atingir alta densidade de potência, alta eficiência e melhorar a confiabilidade, sendo que
os motores síncronos de ímãs permanentes multifásicos são candidatos adequados para
essas aplicações especiais.
Em um MSIP multifásico, o número de fases do estator é maior do que três, e o
rotor pode ter qualquer número de pares de pólos. Em [38] é demonstrado que o motor
46
de corrente alternada (CA) de 5 fases apresenta a melhor relação conjugado por corrente
eficaz, quando comparado com motores CA de 3, 6, 7, 9 fases. Portanto, para este trabalho
foi dado continuidade ao estudo desenvolvido em [9], com escolha de uma MSIP
pentafásico.
Dentre os pontos positivos citados acima, vale listar todas as vantagens que a
máquina multifásica pode apresentar no acionamento dos mais diversos equipamentos da
indústria:
Divisão da potência total pelo número de fases do motor permitindo redução
da corrente por fase do motor e conversor sem aumento da tensão por fase
possibilitando assim níveis elevados de potência com dispositivos
semicondutores com potência limitada utilizando conversores de dois níveis;
Aumento da confiabilidade (tolerância a falhas), pois o motor possui a
capacidade de partir e rodar mesmo depois da falha de uma ou mais fases não
afetando significativamente a o conjugado eletromagnético;
Redução do conteúdo harmônico espacial devido ao fluxo produzido pela
componente fundamental das correntes do estator;
Redução da amplitude e aumento da frequência das oscilações de conjugado,
proporcional a frequência da tensão de alimentação, e consequente redução do
ruído e aumento da eficiência;
Redução das harmônicas de corrente do link CC;
Aumento na relação conjugado por corrente eficaz para máquinas com mesmo
volume resultando numa maior densidade de potência;
Aumento do conjugado devido a injeção de corrente harmônica de baixa ordem
no estator. Este aumento só é possível em motores com enrolamento
concentrado;
Acionamento de motores com mudança eletrônica de polos, que é obtida pela
reversão do sentido da corrente.
47
Capítulo 4. MÁQUINAS SÍNCRONAS DE ÍMÃS PERMANENTES
No Brasil, o mercado de materiais magnéticos movimenta algo em torno de US$
100 milhões/ano, sendo 70% representados pelos aços elétricos e 30% pelos ímãs
permanentes, onde os ferrites ocupam a maioria das aplicações, sobretudo naquelas onde
o fator determinante é o preço baixo [39]. Entretanto, quando o fator determinante não é
o preço baixo e sim o produto energético (BHmáx), os ímãs terras-raras: samário-cobalto
e neodímio-ferro-boro (NdFeB), apresentam-se como alternativas aos ímãs ferrites,
principalmente quando avaliamos o volume e o peso.
Como já comentado, a máxima densidade de energia é uma propriedade importante
para caracterizar um ímã permanente. Depende do residual Br, a coercividade HcB, que
melhor descreve a estabilidade de desmagnetização, o μp permeabilidade, bem como a
forma retangular da curva de histerese. O desenvolvimento está focado a aumentar a
coercividade, ajustando a composição da liga e através da produção de uma
microestrutura fina. Uma indução residual elevada pode ser conseguida através da
produção de pequenos cristalitos e alinhá-los perfeitamente paralelo para obter a melhor
anisotropia. O desenvolvimento da densidade de energia (BH)máx ao longo do tempo é
apresentado na Figura 42. Na Figura 43 são mostradas as curvas típicas B x H, com
destaque para o NdFeB.
Figura 42 – Densidade de energia (BH)máx ao longo do tempo
48
Figura 43 - Ímãs permanentes e densidade de energia, NdFeB em destaque
De maneira geral, um imã permanente cria seu próprio campo magnético e são
feitos de materiais ferromagnéticos. Tais materiais são o ferro, o níquel e o cobalto. Em
materiais não ferromagnéticos os elétrons atravessam o material cancelando-se
mutuamente. Os elétrons giram em regiões chamadas de domínio e quando um campo
magnético externo é aplicado, todos os elétrons giram em paralelo. A Figura 44 pode
mostrar melhor.
Figura 44 – Demonstração do princípio de funcionamento do ímã permanente
O desenvolvimento de ímãs permanentes (Permanent Magnet – PM) com alta
densidade de energia permitiu a substituição do enrolamento de campo por ímãs
permanentes em máquinas síncronas. Além disso, o desenvolvimento dos dispositivos
semi-condutores de potência (transistores e retificadores de potência) permitiu o
49
surgimento do inversor de frequência e tensão. Estes dois desenvolvimentos contribuíram
para o desenvolvimento das máquinas síncronas de ímãs permanentes (Permanent Magnet
Synchronous Machines – PMSM) e das máquinas de corrente contínua sem escovas
(Brushless DC Machines – BLDC). Nestas máquinas, o ímã permanente está alojado na
estrutura do rotor e a armadura está localizada na estrutura do estator. A corrente da
armadura (estator) é controlada por um inversor de frequência em sincronismo com a
posição do ímã permanente do rotor. A Figura 45 apresenta um MSIP da linha Wmagnet
da WEG, com vista em corte, onde os ímãs permanentes são evidenciados para um melhor
entendimento da montagem e contrução desses motores. No catálogo destes motores
WEG, há uma análise comparativa entre o MSIP e o MI, onde a primeira apresenta
melhores valores de rendimento, peso e volume. A Figura 46 exemplifica este fato por
meio de curvas de rendimento para o caso de acionamento de compressores.
Figura 45 - MSIP em corte com os ímãs em evidência [Linha Wmagnet - WEG]
Baseado na direção do fluxo de campo, as máquinas síncronas de ímãs permanentes
podem ser classificadas como de fluxo radial, em que a direção do fluxo está ao longo do
raio da máquina; como de fluxo axial, em que a direção do fluxo é paralelo ao eixo do
rotor e como de fluxo transversal, em que a distribuição do fluxo é tridimensional.
As máquinas síncronas de ímã permanente com fluxo radial possuem simplicidade
de fabricação e de montagem, e consequentemente, são as mais usadas em aplicações de
velocidade variável, enquanto que as máquinas com fluxo axial e com fluxo transversal
têm se destacado em um pequeno número de aplicações, pois embora tenham maior
densidade de potência e capacidade de aceleração, a estrutura destas máquinas é complexa
e os custos de fabricação são altos [9].
50
Figura 46 - Curvas de rendimento MI x MSIP para acionamento de compressor [WEG]
Baseado na maneira como os ímãs são montados no rotor, as máquinas síncronas
de ímãs permanentes podem ser classificadas como máquinas com ímãs montados na
superfície do rotor (Surface Permanent Magnet machine – SPM); e como máquinas com
ímãs montados no interior do rotor (Interior Permanent Magnet Machine – IPM). As
máquinas com ímãs montados na superfície do rotor possuem maior densidade de fluxo
de entreferro, e rotor de pólos lisos, e são usadas em aplicações de baixa velocidade. As
máquinas com ímãs montados no interior do rotor possuem o rotor mais robusto e por
isso podem ser usadas em aplicações de alta velocidade (acima de 3.000 RPM) [10]. A
maior diferença entre essas máquinas se dá na geometria do rotor e na posição de fixação dos
ímãs, que podem ser classificadas conforme ilustrado na Figura 47.
Figura 47 - Rotores de máquinas síncronas com ímã permanente
Nas últimas três décadas, as propriedades magnéticas e térmicas dos materiais
magnéticos dos ímãs permanentes têm melhorado significativamente e seu custo tem
reduzido de forma notável. Nas últimas quatro décadas, os avanços e a evolução nas áreas
de tecnologia dos dispositivos semicondutores de potência e de tecnologia de integração
51
de componentes eletrônicos levaram ao desenvolvimento de chaves semicondutoras de
potência e de micro controladores de baixo custo e de alto desempenho [9]. Estas
contribuições permitiram a fabricação dos inversores de frequência, como ilustrado na
Figura 48.
Figura 48 - MSIP com inversor [Linha Wmagnet - WEG]
O desenvolvimento da tecnologia dos materiais de ímãs permanentes e da
tecnologia da eletrônica de potências aliado a técnicas avançadas de controle digital, além
da necessidade do uso eficiente de energia elétrica, e do uso eficiente de combustível e
controle de poluição ambiental (aplicações em transporte) têm tornando o acionamento
do motor síncrono de ímãs permanentes uma escolha preferencial para aplicações de
acionamento de velocidade variável de alto desempenho.
Os principais tipos de motores de corrente alternada, atualmente utilizados em
acionamento de velocidade variável são: motor de indução, motor síncrono com
enrolamento de campo, motor síncrono de ímãs permanentes, motor de relutância
variável, e motor síncrono de relutância. Apesar de não permitir o controle do fluxo dos
ímãs, não permitir a regulação do fator de potência, apresentar risco de desmagnetização
e ter um custo maior, o motor síncrono de ímãs permanentes possui maior eficiência,
maior densidade de energia, maior faixa de velocidade, e menor ruído em relação aos
outros tipos de motores citados [9].
52
Capítulo 5. SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS
A apresentação minuciosa do Método dos Elementos Finitos (MEF) ou Finite
Element Method (FEM) foge do escopo deste trabalho, sendo o objetivo desta seção
apresentar uma visão geral de como este método é utilizado na Engenharia. Dentre as
ferramentas comercializadas e disponibilizadas, são conhecidos no mercado os seguintes
softwares: MAXWELL/ANSYS, MSC/NASTRAN, ADINA, ABAQUS, LS/DYNA,
ALGOR, FEMM, MATLAB, etc. Neste trabalho, será simulado o desempenho
eletromagnético do MSIP no software MAXWELL 2D, um dos mais utilizados no
mercado.
5.1. MEF na Engenharia
O MEF consiste num método numérico genérico para solução de equações
diferenciais ordinárias e parciais (EDOs e EDPs) que descrevem fenômenos físicos em
engenharia. Nas engenharias civil, mecânica e naval esta ferramenta é utilizada para
analisar, por exemplo, o perfil de temperaturas no motor de um veículo, escoamento de
fluidos em dutos ou em cascos de embarcações, deformação e tensões de uma estrutura
sujeita a um carregamento, etc. Estas aplicações são ilustradas na Figura 49.
Figura 49 - Exemplo de aplicação do MEF na indústria naval [ANSYS]
Na Engenharia Elétrica, é amplamente utilizado para análise de campos
eletromagnéticos, particularmente importantes para a otimização do projeto de
equipamentos e dispositivos eletromagnéticos tais como motores, geradores,
transformadores, diversos tipos de cabos elétricos, solenóides e outros. Diversos tipos de
fenômenos eletromagnéticos podem ser modelados, desde a propagação de microondas
até o conjugado de um motor elétrico. Na Figura 50 é mostrada a densidade de campo
magnético em mapas de cores, sendo possível notar a posição dos polos do motor.
53
Figura 50 - Exemplo de aplicação do MEF em motores elétricos [ANSYS-MAXWELL]
Os tipos de análise de elementos finitos mais utilizados em projetos de Engenharia
Elétrica são apresentados a seguir:
Análise Magnetostática: utilizada para projetar ou analisar uma variedade de
equipamentos e dispositivos como solenóides, motores elétricos, blindagem
magnética e ímãs permanentes. De modo geral, na análise magnetostática as
variáveis de interesse são a densidade de fluxo magnético, intensidade de
campo magnético, forças, conjugados, indutâncias e fluxo enlaçado.
Análise Eletromagnética Transiente: permite a simulação de transitórios ou
regime permanente em projetos variados de dispositivos CC ou CA, como
transformadores e motores elétricos. Na análise transiente as variáveis de
interesse são as funções, agora dependentes do tempo, densidade de fluxo
magnético, intensidade de campo magnético, densidade de corrente total e
induzida, forças, conjugados, indutâncias e fluxo enlaçado.
Análise Eletromagnética Tempo-Harmônica: é utilizado para analisar campos
magnéticos causados por correntes alternadas e vice-versa, correntes elétricas
induzidas por campos magnéticos alternados (correntes de Foucault). Este tipo
de análise é comum em dispositivos como solenóides, motores elétricos, etc.
As variáveis de análise são a corrente elétrica e suas fontes e componentes
induzidos, forças, conjugados impedâncias e indutâncias.
Análise Eletrostática: é utilizado para analisar e projetar uma variedade de
sistemas capacitivos tais como fusíveis e linhas de transmissão. As principais
variáveis deste tipo de análise são a tensão, campos elétricos, capacitâncias e
forças elétricas.
54
Análise de Fluxo de Corrente: é utilizado em sistemas de condutores. As
principais variáveis deste tipo de análise são a tensão, densidade de corrente,
perdas elétricas (efeito Joule).
Análise Térmica: possui um importante papel em sistemas eletromecânicos. As
principais variáveis deste tipo de análise são a distribuição de temperatura,
gradientes térmicos e perdas por calor. A análise transiente permite simular
transições de distribuição de calor entre dois estados de aquecimento de um
sistema.
Análise de Tensões: possui um importante papel em diversos projetos de
componentes eletromecânicos, principalmente quanto aos aspectos
construtivos. Em máquinas elétricas os conceitos estruturais e contrutivos
principais variáveis deste tipo de análise são os deslocamentos, tensões
mecânicas e diferentes componentes de tensões mecânicas, como mostrado na
Figura 51.
Figura 51 - Aplicação do MEF em deformações do estator de um motor elétrico
Para maiores rendimentos das máquinas elétricas e melhores resultados no
desempenho, a análise térmica deve ser considerada nos projetos de engenharia elétrica,
visto que o desempenho elétrico dos equipamentos e dispositivos elétricos está
intrinsecamente relacionado à variável temperatura. Desta forma, não é difícil encontrar
modelagens de equipamentos com abordagens magnética, dielétrica e térmica num
mesmo projeto, tornando a simulação mais realista.
Um problema central ao MEF é a fragmentação ou discretização de cada objeto
em um modelo de elementos finitos. O argumento básico é que as dimensões dos
elementos finitos devem ser escolhidas as menores possíveis, conforme capacidade
55
computacional. O conceito de discretização pode ser ilustrado e compreendido de maneira
rápida e simples por meio do antigo problema de cálculo do perímetro de um círculo. A
Figura 52 apenas ilustra esta ideia.
Figura 52 - Diferentes métodos de análise eletromagnética
A geração da malha de elementos finitos no MEF geralmente é feita apenas com
elementos triangulares, pois como este é um elemento de primeira ordem, o potencial
elétrico ou magnético varia linearmente dentro do triângulo. Isto permite modelar as
grandezas elétricas dentro do elemento triangular através de um sistema de 3 equações
[35]. A Figura 53 apresenta um exemplo de malha contendo somente elementos
triangulares, bem como um elemento triangular isolado.
Figura 53 - Malha de elementos triangulares e um elemento isolado [37]
Conforme já comentado, para maior precisão no cálculo das grandezas, em uma
determinada região do domínio do problema, deve-se aumentar o número de elementos
finitos que compõem a região desejada. Entretanto, aumentar o número de elementos
acarretará em um aumento no esforço computacional para resolução do problema. Nesse
sentido, a quantidade de elementos da malha e sua distribuição pelo objeto de análise
deve ser feita com bom senso e com base na experiência do usuário [36].
Algoritmos sofisticados foram desenvolvidos para fragmentar objetos de formas
arbitrária em elementos finitos retangulares, triangulares, etc. Um problema associado a
um modelo de elementos finitos com muitos elementos é o seu tempo de processamento.
Assim, o ideal é que o algoritmo reconheça regiões em que há a necessidade de diminuir
a dimensão dos elementos finitos e regiões em que esta necessidade não existe. A Figura
56
54 exemplifica esta necessidade, onde o entreferro ou gap da máquina exige uma melhor
resolução de elementos para melhores resultados [34]. Na Figura 55 é apresentado o
fluxograma do MEF, desde a análise eletromagnética do problema até o tipo de solução
a ser utilizado.
Figura 54 - Exemplo de diferentes tamanhos de elementos
Figura 55 - Diferentes métodos de análise eletromagnética em Máquinas Elétricas
Desde o motor do ventilador de um computador até o controle preciso de
aeronaves, máquinas elétricas de todos os tamanhos, variedades e níveis de complexidade
permeam nosso mundo. Algumas são bem simples, enquanto outras exigem conceitos de
projeto para aplicações específicas. Dessa forma, a análise por elementos finitos ou FEA
(Finite Elements Analysis) utiliza os fundamentos do MEF e é uma ferramenta rica e
57
necessária para o projeto de qualquer tipo de máquina elétrica. A utilização do MEF na
resolução de problemas de campos, consiste em um único problema descrito por uma
pequena quantidade de EDPs, geralmente difíceis de serem resolvidas analiticamente, em
diversos problemas menores (“elementos finitos”), onde cada um destes elementos finitos
é descrito por um sistema de equações algébricas, cuja resolução é bem mais simples do
que a resolução das EDPs originais do problema. Essas equações diferenciais e integrais
são fundamentadas nas equações de Maxwell, Figuras 56 e 57, que regem as leis do
eletromagnetismo.
Lei de Gauss 𝛻. (𝜀. 𝐸) = 𝜌
Lei de Ampère 𝛻𝑥𝐻 = 𝐽 +𝑑𝐷
𝑑𝑡
Lei de Faraday 𝛻𝑥𝐸 = −𝑑𝐵
𝑑𝑡
Continuidade de Fluxo Magnético 𝛻. 𝐵 = 0
Conservação da Carga 𝛻. ( 𝐽 ) + 𝐸 = −𝑑𝜌
𝑑𝑡
Figura 56 - Equações de Maxwell na forma diferencial
Lei de Gauss
∯ 𝜀. 𝐸. 𝑑𝑆
𝑆
= ∭ 𝜌. 𝑑𝑉
𝑉
→ 𝐷 = 𝜀. 𝐸
∯ 𝐷. 𝑑𝑆
𝑆
= ∭ 𝜌. 𝑑𝑉
𝑉
Lei de Ampère ∯ 𝐻. 𝑑𝑙
𝐶
= ∬ 𝐽. 𝑑𝑆
𝑆
+𝑑
𝑑𝑡∬ 𝐷. 𝑑𝑆
𝑆
Lei de Faraday ∫ 𝐸. 𝑑𝑙
𝐶
= −𝑑
𝑑𝑡∬ 𝐵. 𝑑𝑆
𝑆
Continuidade de Fluxo Magnético ∯ 𝐵. 𝑑𝑆
𝑆
= 0
Conservação da Carga ∬ 𝐽. 𝑑𝑆
𝑆
+𝑑
𝑑𝑡∭ 𝜌. 𝑑𝑉
𝑉
= 0
Figura 57 - Equações de Maxwell na forma integral
58
Conforme já comentado, o desenvolvimento matemático dessas equações, assim
como suas aplicações minuciosas no MEF, não será abordado aqui por fugir do escopo
deste trabalho.
A filosofia utilizada no MEF geralmente requer 3 etapas básicas, as quais são
citadas e detalhadas na Tabela 3.
Tabela 3 – Etapas e subetapas de utilização do MEF
Etapa Subetapa
Pré-Processamento Formulação geométrica do problema - CAD
Formulação analítica do problema - Definição de materiais
Definição do domínio e do tipo de simetria do problema (para
análise do problema em 2D)
Condições de contorno
Geração de malha de elementos finitos
Processamento Resolução do problema: Estático; Transiente; Correntes de Foucault
Pós-Processamento Análise da distribuição de campo - grandezas magnéticas, elétricas e
mecânicas
No software de simulação do MEF o Pré-processamento é a etapa onde será
implementada a geometria da máquina, a definição dos materiais e suas propriedades
físicas e a definição das condições de fronteira do problema.
Geometria: desenha-se a geometria do dispositivo a ser estudado, definindo-se
os pontos, linhas e segmentos de arcos que compõem o objeto.
Materiais: define-se as características físicas das diferentes regiões geométricas
já desenhadas (estator, rotor, entreferro, núcleo de ferro, enrolamentos, etc)
atribuindo-lhes certas propriedades como permeabilidade, condutividade,
linearidade ou não, etc. Pode-se indicar também as regiões onde existe
densidade de corrente, assim como características de alimentação (tensão ou
corrente) como amplitude, senoidal ou contínua etc. Define-se ainda a precisão
da malha a ser gerada em vários triângulos, o que é condição para aplicação do
método de elementos finitos.
Condições de contorno: podem ser do tipo Dirichlet, Neumann, periódicas,
anti-periódicas etc. São aplicadas nos limites externos da geometria [37].
59
A etapa de Processamento consiste na aplicação de fato do MEF para calcular o
vetor potencial magnético dentro de cada nó da malha. Para isso, gera-se uma malha
dentro da geometria do máquina. Isso consiste em dividir a geometria em vários pequenos
triângulos. O tamanho desses triângulos é fundamental para a precisão dos cálculos.
Quanto maior a precisão, mais triângulos (e portanto menores triângulos) são necessários,
demandando mais desempenho computacional. É calculado o vetor potencial magnético
em cada vértice de cada triângulo. O valor do potencial magnético em outros pontos é
calculado pelo software através de aproximação linear, o que explica a importância de
uma boa densidade da malha a fim de obter precisão. Em regiões onde o campo varia
muito, é necessária uma densidade maior de elementos triangulares. Entretanto, em
regiões onde não há muita variação do campo, pode utilizar uma densidade menor a fim
de reduzir o tempo de cálculo. As demais grandezas eletromagnéticas, como densidade
de fluxo, intensidade de campo magnético, força, são calculadas pelo software a partir do
vetor potencial magnético com base nas leis e equações do eletromagnetismo.
Por fim, a etapa de Pós-processamento permite analisar os resultados e explorá-
los, através de gráficos, por exemplo. Ele permite visualizar as linhas de indução, as linhas
de campo e fluxo magnético, os níveis de indução ou densidade de corrente entre outras
grandezas Figura 58.
Figura 58 - Distribuição de potencial magnético e linhas de campo
5.2. MAXWELL - ANSYS
A ferramenta MAXWELL é um pacote de software interativo que utiliza análise
de elementos finitos (FEA) para simular e resolver problemas de campo eletromagnético.
Este software é um pacote que se integra com outros pacotes como o Ansoft para executar
tarefas complexas porém de forma mais simples.
Apesar do escopo deste trabalho ser atendido na geometria de apenas duas
dimensões, o MAXWELL incorpora um conjunto de simuladores em 2D e 3D em uma
60
interface de usuário integrada, como mostrado na Figura 59. O pacote de softwares
permite a simulação de campos eletromagnéticos para projeto e análise de estruturas 2D
e 3D, como motores, atuadores, transformadores e outros dispositivos elétricos e
eletromecânicos. Um exemplo de aplicação em atuadores é apresentado na Figura 60.
Figura 59 - Tela padrão de projeto de simulação do MAXWELL
Figura 60 - Exemplo de atuador rotacional em 2D e 3D
Além disso, é capaz de simular campos eletromagnéticos estáticos, no domínio do
tempo ou no domínio da frequência, pelo MEF. Outro dado importante é que no
MAXWELL as malhas usadas no MEF são calculadas e criadas automaticamente de
acordo com a precisão determinada pelo usuário. O MAXWELL possui seis tipos de
solução 2D/3D: Magnetostático, Eletrostático, Correntes de Foucault, Transitório,
Condução CA e Condução CC. Nas simulações foi usado apenas o MAXWELL 2D no
modo de análises transitórias. O MAXWELL 2D resolve os problemas de campo
eletromagnético para um determinado modelo com materiais apropriados, limites e
61
condições de origem aplicáveis as equações de MAXWELL sobre uma região finita de
espaço.
Este software é apenas uma das ferramentas disponibilizadas pelo Ansoft-
MAXWELL da plataforma multifísica da ANSYS. Dentre outras que integram esta
plataforma, além do MAXWELL 2D e 3D, estão o Circuit Editor e o RMxprt.
No Circuit Editor é possível modelar equipamentos por meio de seus circuitos
equivalentes e em seguida fazer a interligação do modelo MAXWELL de elementos
finitos com os componentes do circuito. No caso de máquinas elétricas, por exemplo, é
possível modelar os enrolamentos ou Winding do equipamento no circuito e importá-los
para o MAXWELL. Esta ferramenta será abordada em tópicos seguintes.
O RMxprt é um pacote que facilita e adianta o processo de projeto e otimização
de máquinas elétricas rotativas. É possível calcular o desempenho da máquina facilmente
após a montagem do modelo escolhido. Diversos modelos de máquinas são
disponibilizados no banco de dados do software, como é mostrado nas Figura 61. Um
modelo de motor cc brushless de ímãs permanentes é apresentado na Figura 62. A ranhura
da máquina pode ser facilmente desenhada apenas com entrada das dimensões, como
mostrado na Figura 63.
Figura 61 - Escolha de modelo de máquina elétrica - RMxprt
62
Figura 62 - Parâmetros para criação dos aspectos construtivos - RMxprt
Figura 63 - Exemplo de ranhura do banco de dados - RMxprt
Além disso, pode-se refinar o modelo criado, escolher materiais diferentes,
integrar com circuitos de controle e eletrônica de potência de forma mais simples. Como
apresentado anteriormente, o RMxprt possui inúmeros modelos específicos de máquinas
de indução, síncrona, de ímãs permanentes, cc, e máquinas de comutação eletrônica e por
escovas. O algoritmo do software utiliza a teoria analítica clássica de motores e seus
circuitos magnéticos equivalentes, além de realizar cálculos levando em consideração
comportamentos magnéticos não lineares como a curva de saturação do material
(Nonlinear).
63
Capítulo 6. MODELAGEM DO PROTÓTIPO DO MSIP
PENTAFÁSICO
Este trabalho teve como base o motor síncrono pentafásico de ímãs permanentes
do trabalho desenvolvido em [9], onde um protótipo do MSIP pentafásico, 11 kW, 45
ranhuras, 6 pólos, 90 Hz, 1800 RPM, foi projetado e construído pela empresa Equacional
Elétrica e Mecânica Ltda. a partir da modificação de um MSIP trifásico, linha Wmagnet
fabricado pela WEG Equipamentos Elétricos S.A., 11 kW, 36 ranhuras, 6 pólos, 90 Hz,
1800 RPM.
O núcleo do MSIP de 36 ranhuras com enrolamento de estator trifásico foi
substituído por um núcleo de 45 ranhuras com enrolamento de estator pentafásico, e as
demais partes do motor (rotor, carcaça, rolamentos e estrutura mecânica) foram mantidas
no projeto de [9].
De maneira simplificada e resumida os valores nominais e características do MSIP
pentafásico são apresentados a seguir, conforme [9]:
Valores nominais do MSIP pentafásico:
Potência nominal, P = 15 CV (11 kW)
Tensão nominal, VL = 220 V (ligação do enrolamento em estrela)
Corrente nominal, I = 12,5 A (ligação do enrolamento em estrela)
Frequência nominal, f = 90 Hz
Número de pólos, p = 6 (ímãs permanentes de terras raras de NdFeB)
Velocidade nominal, N = 1800 RPM
Características construtivas do MSIP pentafásico:
Número de ranhuras do estator, Q = 45 ranhuras
Comprimento do núcleo do estator, L = 100,5 mm
Diâmetro interno do núcleo do estator, Dm = 150 mm
Diâmetro externo do núcleo do estator, Dext = 220 mm
64
Valores calculados para o MSIP pentafásico
Fator de enrolamento da componente fundamental;
Fe1 = 0,98
Tensão de fase do estator pentafásico (ligação estrela);
Vf = 𝑽𝑳
𝟏,𝟏𝟕𝟏𝟓𝟔 =
𝟐𝟐𝟎
𝟏,𝟏𝟕𝟏𝟓𝟔 = 187,14V
Número de espiras por fase, Nef ;
Utilizando o mesmo fluxo por pólo do MSIP original [9], obtém-se;
Nef =128,78
Número de espiras por bobina, Neb ;
Neb = 𝑵𝒆𝒇
𝑵𝒃𝒇 =
𝟏𝟐𝟖,𝟕𝟖
𝟗 = 14,3 ≈ 14
Número de bobinas por fase, Nbf ;
Nbf = 𝟒𝟓 𝒓𝒂𝒏𝒉𝒖𝒓𝒂𝒔
𝟓 𝒇𝒂𝒔𝒆𝒔 = 9 bobinas
Corrente nominal, ligação estrela, IL = If
Utilizando fator de potência, fp = 0,97 e rendimento, η = 97%
IL = If = 𝑃
5 X 𝑉𝑓 X 𝑓𝑝 X 𝜂 =
11𝐾𝑊
5 X 187,14𝑉 X 0,97 X 0,97 = 12,50A
Especificações do enrolamento pentafásico são apresentadas mais a frente no item 6.3.
65
Apesar de o software MAXWELL disponibilizar modelos padrões de máquinas
elétricas rotativas no RMxprt, neste trabalho em específico, o software não disponibiliza
modelo de MSIP de cinco fases. Além disso, esta linha da WEG possui rotores com
saliências suaves que impedem a utilização e as facilidades de modelagem do pacote
RMxprt. Desse modo, grande parte do trabalho foi desenvolvido no MAXWELL 2D,
onde é possível desenhar e projetar modelos geométricos quaisquer. O RMxprt foi
utilizado para gerar o estator e os enrolamentos individualmente, já que o RMxprt não
possui padrão de enrolamento para máquinas com mais de três fases. Apesar do escopo
do trabalho ser em 2D, foi gerado o modelo 3D do MSIP apenas para visualização, como
apresentado nas Figuras 64 e 65.
Figura 64 - MSIP gerado no MAXWELL 3D
Figura 65 - MSIP pentafásico em perspectiva com estator ocultado
As cinco cores utilizadas no enrolamento pentafásico representam cada uma das
cinco fases do motor elétrico.
66
6.1. Modelagem do Estator
Para o desenvolvimento do estator foram utilizados os mesmos valores de [9].
Considerou-se para isso os desenhos dimensionais da máquina disponibilizados pela
empresa Equacional Elétrica e Mecânica Ltda, que adaptou o estator WEG trifásico para
o modelo pentafásico de 45 ranhuras. Tanto o estator como as demais partes da máquina
foram criados no MAXWELL em modelo 2D. Desse modo, no programa é possível
inserir a profundidade ou comprimento do motor conforme o dimensional.
Vale ressaltar que o comportamento da máquina é relativamente uniforme ao
longo de seu eixo, isto é, a máquina não muda ao longo do eixo, sendo portanto admissível
a consideração em 2D. Por se tratar de uma máquina de cinco fases tolerante a falta de
fase, deve-se analisar os 360º do estator, não podendo apenas considerar uma fatia por
simetria, o que pouparia bastante o esforço computacional. Caso considerássemos apenas
uma parte, a análise de falta de fase não mostraria a alteração espacial do campo ao longo
do estator.
Sendo assim, os dados de [9] foram inseridos no programa da seguinte forma:
Draw > User Defined Primitive > Syslib > Rmxprt > SlotCore. A imagem obtida é
apresentada na Figura 66. Após as configurações, chega-se nas Figuras 67 e 68.
Figura 66 - Dados para criação do estator do motor
67
Figura 67 - Estator criado com 45 ranhuras
Figura 68 - Estator em 3D com detalhe de duas bobinas
68
6.2. Modelagem do Rotor
Diferentemente do estator, o rotor desta máquina possui características peculiares
em sua geometria. Sendo assim, foi necessário pesquisar mais sobre o software para
elaboração do modelo CAD desta parte do motor. O MAXWELL possui ferramentas que
permitem alterar e adaptar geometrias especiais como neste caso. Desse modo, para se
criar o rotor da máquina foram utilizadas diversas ferramentas de desenho disponíveis no
software.
Para tanto, novamente foram considerados os dados dimensionais de rotor WEG.
A Figura 69 apresenta uma tela com algumas das principais ferramentas utilizadas nesta
etapa.
Figura 69 - Ícones no topo da tela principal (Manual - MAXWELL Geometry)
Nem sempre todos os itens desejados encontram-se no topo da tela principal do
programa, sendo necessário acessar a aba Draw e escolher a opção que melhor atender,
como mostrado na Figura 70.
Figura 70 - Aba de ferramentas
69
As formas geométricas presentes no MAXWELL são definidas por ponto, chapa
ou camada, fronteira ou contorno, planos, sólidos, dentre outros. Estas opções são
apresentadas nas Figuras 71 e 72.
Figura 71 - Ferramentas geométricas (Manual - MAXWELL Geometry)
Figura 72 - Tabela de ferramentas geométricas (Manual - MAXWELL Geometry)
70
Dentre essas ferramentas, as mais utilizadas foram a Create Circle, Subtract,
Boolean, Sweep e Move, conforme a Figura 73.
Figura 73 - Lista de manobras até chegar à forma geométrica desejada
Após diversas manobras, chegou-se a forma de rotor desejada que é apresentada
na Figura 74 e em detalhe na Figura 75.
Figura 74 - Rotor gerado após manobras geométricas
Figura 75 - Rotor em detalhe para as entradas dos ímãs
71
6.3. Modelagem do Enrolamento Pentafásico
O enrolamento pentafásico foi parcialmente criado com auxílio do RMxprt, onde
os valores especificados em [9] foram inseridos e adaptados.
O enrolamento deve ser de camada dupla, no qual o número de bobinas é igual ao
número de ranhuras e cada ranhura possua dois lados de bobinas, ou seja, um enrolamento
de bobina inteira, onde todas as bobinas possuam a mesma forma.
Características do enrolamento do MSIP pentafásico:
Números de ranhuras do estator: 45 ranhuras
Depósito das bobinas: enrolamento de camada dupla
15 grupos de 2 bobinas + 15 grupos de 1 bobina
Número de espiras por bobina: 14
Passo do enrolamento: 7 (1 a 8)
Conexão em série dos grupos de bobinas – fases conectadas em Y
N° de espiras em série por fase, 126 espiras/fase (9 bobinas x 14 espiras)
A seguir é apresentada a maneira como foi criado cada bobina do enrolamento.
Para isso, de acordo com [9] foram criadas 9 bobinas ou coils para cada enrolamento. As
bobinas foram construídas separadamente para serem ligadas em série formando um
enrolamento para cada fase do motor. O esquema de ligação do motor apresentado em [9]
foi anexado ao final deste trabalho no Anexo D.
As Figuras 76, 77 e 78 apresentam cada etapa do esquema de ligação elaborado
no MAXWELL 2D. Novamente, como no caso do estator, o desenvolvimento do
enrolamento também exige entradas para diversos parâmetros da máquinas, como
dimensões de ranhura e cabeça de bobina.
72
Figura 76 - Criação de bobina - LapCoil
Figura 77 - Dados para construção de cada bobina
73
Figura 78 - Dados para construção de cada bobina
Na Figura 79 é apresentada em destaque a Fase A, com as demais fases escondidas
para facilitar a visualização e espaçamento entre fases.
Sequência de ligação das 9
bobinas em cada fase
(neste caso, Fase A)
74
Figura 79 - Fase A em camada dupla formada por (2+1) bobinas por ranhura
6.4. Modelagem dos Ímãs Permanentes
Os ímãs permanentes foram desenhados conforme as dimensões apresentadas em
[9]. A partir do rotor e com os desenhos dimensionais do motor WEG trifásico, o modelo
dos ímãs foi facilmente implementado. A Figura 80 apresenta os seis ímãs isolados, com
o restante da máquina ocultado.
Figura 80 - Ímãs permanentes do MSIP pentafásico
75
Após a elaboração geométrica em formato de prismas retangulares, foi definido o
material dos ímãs como NdFeB, Níquel-Ferro-Boro, material de terras raras, conforme
apresentado na Figura 81.
Figura 81 - Atribuição de material para cada ímã
Em seguida, foi definida a polarização dos ímãs de modo a manter os seis pólos
da máquina. Para tanto, foi necessário atribuir referenciais diferentes do original e inercial
no centro do rotor. Esta diferença está no fato de que cada ímã possui orientação de pólo
Sul e Norte magnéticos, de tal modo que o campo magnético fixo de cada um siga uma
orientação determinada e que o conjunto de seis ímãs forme a configuração de seis pólos.
Em outras palavras, estes referenciais de cada ímã são necessários para que as linhas de
campo saiam de um ímã e entrem no ímã adjacente. Esta etapa é ilustrada na Figura 82.
Figura 82 - Orientação de campo para cada ímã, com eixos XY independentes
76
6.5. Modelagem do Circuito Alimentador do MSIP Pentafásico
Para alimentar o motor e produzir formas de ondas de corrente perfeitamente
senoidais no enrolamento pentafásico, foi utilizado o Circuit Editor, outra ferramenta do
software MAXWELL. Neste pacote, é possível implementar circuitos diversos e exportá-
los para o MAXWELL 2D. Foi desenvolvido um circuito simples com fontes e cargas.
De modo equivalente a fontes de tensão, foram utilizadas fontes de corrente em paralelo
com resistores. Esta implementação foi escolhida por apresentar melhores formas de onda
de corrente nos enrolamentos e por reproduzir melhor os resultados de [9]. A
comunicação do MAXWELL com o Circuit Editor deve seguir os passos conforme
mostrado nas Figuras 83, 84 e 85.
Figura 83 - Comunicação MAXWELL/Circuit Editor
No Circuit Editor, cada um dos cinco enrolamentos foi implementado semelhante
a um circuito RL em ligação Y, onde a indutância L deve ter o mesmo nome que o
enrolamento (Winding) criado no MAXWELL 2D.
Figura 84 - Enrolamento da Fase A no MAXWELL 2D exportado para o Circuit Editor
77
Figura 85 - Circuito do MSIP pentafásico em ligação Y - Circuit Editor
Na aba MAXWELL Circuit, e em seguida, Design Properties apresentamos os
parâmetros do motor no modelo do circuito, como é mostrado na Figura 86.
Figura 86 - Propriedades do modelo de circuito - Circuit Editor
Figura 87 - Tela com alguns parâmetros do circuito - Circuit Editor
Como apresentado na Figura 87, foi considerado o valor de 18 A para a amplitude
de corrente em cada fase. Este valor foi baseado nos 12,5 A RMS, ligação estrela do MSIP
de [9].
0
0
0
0
0
0
0
0
0LPhase_B
LPhase_C
LPhase_D
LPhase_E
IqLabelID=IPhase_A
if(time<5ms,Iq,0)LabelID=IPhase_B
if(time<5ms,Iq,0)LabelID=IPhase_C
if(time<5ms,Iq,0)LabelID=IPhase_D
if(time<5ms,Iq,0)LabelID=IPhase_E
ModelV
ModelNameSW1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso1
1ohm
R380
LabelID=IVoltimeter1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso3
1ohm
R398
LabelID=IVoltimeter3
ModelV
ModelNameSW2
+ 0V0.01VLabelID=VPulso2
1ohm
R402
LabelID=IVoltimeter2
LPhase_A
resist
R519
resist
R529
resist
R531
resist
R534
resist
R536
R_enrol
R834
R_enrol
R835
R_enrol
R836
R_enrol
R837
R_enrol
R838LabelID=IVoltimeter5
1ohm
R929
+ 0V0.01VLabelID=VPulso5
ModelV
ModelNameSW5
78
Capítulo 7. SIMULAÇÃO E RESULTADOS
Nesta seção serão apresentados os resultados encontrados ao longo do
desenvolvimento do modelo do MSIP pentafásico no MAXWELL 2D e sua análise de
Falta de Fase. O objetivo foi constatar o resultado obtido em [9] utilizando desta vez um
software de elementos finitos já apresentado, MAXWELL 2D. Deve-se ressaltar que
assim como todo trabalho de simulação, foram necessárias diversas tentativas com ajustes
e correções até convergir em valores aceitáveis e próximos daqueles encontrados em [9].
Foi simulado o caso de Falta Monofásica e em seguida Falta Bifásica. Vale
ressaltar, que para as de mais possibilidades de falta de fase ou fases, o cálculo do controle
é análogo ao apresentado neste trabalho. Para cada caso, foram gerados os gráficos de
Corrente, Tensão Induzida nos enrolamentos, Conjugado e Velocidade. Em seguida
foram gerados os mapas de cores em elementos finitos da Intensidade de Campo
Magnético (H), do Fluxo Magnético (B) e do Potencial Magnético (A) em linhas de fluxo.
Para simular a perda de fase na máquina, foram utilizadas chaves controladas. No
Circuit Editor, utiliza-se a chave controlada por tensão, Voltage Controlled Switch, que
necessita de um simples circuito de controle separado do circuito principal de estudo
(MSIP), conforme mostrado nas Figuras 88 e 89.
Figura 88 - Chave Controlada por Tensão e seu Circuito de Controle - Circuit Editor
79
Figura 89 - Circuito com Chaves Controladas - Circuit Editor
Com o intuito de modelar as chaves com o menor impacto possível no circuito em
operação normal, foram inseridas chaves em cada uma das fases. Esta consideração foi
necessária pois se observou que a inclusão desses componentes em apenas um ramo ou
enrolamento do circuito implicava em resultados distorcidos e desequilibrados. Além
disso, foram considerados os mesmos valores para os parâmetros do circuito de controle,
mudando apenas o tempo de atuação de cada chave, de acordo com o instante desejado
para abertura da mesma, isto é, simulação de falta.
As instruções para implementação do controle são encontradas com duplo clique
sobre a chave controlada e em seguida sobre o botão " SW_V ", como é mostrado na
Figura 90.
0
0
0
0
0
0
0
0 LPhase_B
LPhase_C
LPhase_D
LPhase_E
IqLabelID=IPhase_A
IqLabelID=IPhase_B
IqLabelID=IPhase_C
IqLabelID=IPhase_D
IqLabelID=IPhase_E
ModelV
ModelNameSW1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso1
1ohm
R380
LabelID=IVoltimeter1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso3
1ohm
R398
LabelID=IVoltimeter3
ModelV
ModelNameSW2
+ 0V0.01VLabelID=VPulso2
1ohm
R402
LabelID=IVoltimeter2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_BV
S_SW2
V
S_SW2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_CV
S_SW2
V
S_SW2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_DV
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
1.3819*Iq A
LabelID=IControl_E
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
LPhase_A
resist
R519
resistcorrigida
R525
resist
R529
resistcorrigida
R530
resist
R531
resistcorrigida
R532
resist
R534
resistcorrigida
R535
resist
R536
V
S_SW3
V
S_SW3 R_enrol
R834
R_enrol
R835
R_enrol
R836
R_enrol
R837
R_enrol
R838
V
S_SW1
resistcorrigida
R883
0ALabelID=IControl_AV
S_SW2
V
S_SW2
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
80
Figura 90 - Chave Controlada por Tensão e Circuito de Controle - Circuit Editor
No MAXWELL foram simulados e testados alguns valores para inércia J da
máquina, coeficiente de atrito da máquina e conjugado de carga. Devido ao escopo deste
trabalho concentrar-se somente na comprovação do controle, esses três parâmetros foram
ajustados para valores aceitáveis após algumas simulações. Para trabalhos futuros, um
estudo exato desses parâmetros pode ser desenvolvido. Desse modo, utilizou-se como
referência os valores próximos dos valores nominais da máquina e apresentados na
Figura 91.
Figura 91 - Valores de referência utilizados na simulação - MAXWELL 2D
7.1. Implementação da Malha de Elementos Finitos
No MAXWELL 2D, após a criação do modelo de máquina, é possível configurar
a malha de elementos finitos sobre a geometria em análise. É possível definir o número
máximo de triângulos para dividir a região de estudo. Estas configurações influenciarão
na resolução e tempo de processamento computacional.
81
Desse modo, o MAXWELL 2D já possui um algoritmo especial para as regiões
de variações geométricas por serem mais críticas do ponto de vista eletromagnético, como
a saturação do ferro nas adjacências dos ímãs. A Figura 92 apresenta a malha
implementada.
Figura 92 - Malha de Elementos Finitos em detalhe - MeshPlots / MAXWELL 2D
82
7.2. Falta Monofásica com Controle Tolerante a Falta de Fase
De modo a comprovar a teoria de controle apresentada em [9], para o caso de falta
em uma das fases do MSIP pentafásico, foi inserida mais uma chave controlada no ramo
da Fase A do circuito original, conforme mostrado na Figura 93.
Figura 93 - Falta Monofásica - Chave Controlada e Circuito de Controle - Circuit Editor
Pela teoria e cálculos apresentados em [9], o controle demonstrou que seriam
necessárias as seguintes correções nas magnitudes e ângulos de fase das correntes do
motor:
𝐼bs∗ (𝑡) = 1,3819𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 −𝜋
5)
𝐼cs∗ (𝑡) = 1,3819𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 −4𝜋
5)
𝐼ds∗ (𝑡) = 1,3819𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 +4𝜋
5)
0
0
0
0
0
0
0
0 LPhase_B
LPhase_C
LPhase_D
LPhase_E
IqLabelID=IPhase_A
IqLabelID=IPhase_B
IqLabelID=IPhase_C
IqLabelID=IPhase_D
IqLabelID=IPhase_E
ModelV
ModelNameSW1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso1
1ohm
R380
LabelID=IVoltimeter1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso3
1ohm
R398
LabelID=IVoltimeter3
ModelV
ModelNameSW2
+ 0V0.01VLabelID=VPulso2
1ohm
R402
LabelID=IVoltimeter2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_BV
S_SW2
V
S_SW2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_CV
S_SW2
V
S_SW2
1.3819*Iq ALabelID=IControl_DV
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
1.3819*Iq A
LabelID=IControl_E
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
LPhase_A
resist
R519
resistcorrigida
R525
resist
R529
resistcorrigida
R530
resist
R531
resistcorrigida
R532
resist
R534
resistcorrigida
R535
resist
R536
V
S_SW3
V
S_SW3 R_enrol
R834
R_enrol
R835
R_enrol
R836
R_enrol
R837
R_enrol
R838
V
S_SW1
resistcorrigida
R883
0ALabelID=IControl_AV
S_SW2
V
S_SW2
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
83
𝐼es∗ (𝑡) = 1,3819𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 +𝜋
5)
Esses valores foram inseridos no Circuit Editor em comunicação com o
MAXWELL 2D. Os resultados para curvas de Corrente, Tensão Induzida, Velocidade e
Conjugado são apresentados nesta seção. Como será observado, é facilmente notado que
durante o período transitório da falta há uma perturbação esperada nas formas de onda e
em seguida, com a atuação do controle, o sistema tende a um regime permanente de
operação aceitável para as condições operacionais da máquina. A falta ocorre no instante
100ms e o controle atua no instante 130ms. Na Figura 94, são apresentadas as correntes
nas cinco fases, antes, durante e após a falta. É possível notar uma variação nas amplitudes
e ângulos de fase durante a falta. Em seguida, a atuação do controle tolerante a falta de
fase aumenta a amplitude das correntes remanescentes em 38.19 %, além de corrigir
também os ângulos de fases.
Figura 94 - Correntes - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase
Durante o período transitório da falta em 100ms é notável que oscilações de baixa
frequência e grande magnitude geram perturbações indesejáveis para a máquina e sistema
de acionamento. Nota-se que com a atuação do controle tolerante o sistema volta a
responder com valores médios em torno do nominal, ou seja, próximo à operação normal.
Os gráficos de tensão induzida, conjugado e velocidade são apresentados nas Figuras 95,
96 e 97.
71.14 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00Time [ms]
-25.00
-15.00
-5.00
5.00
15.00
25.00
Y1
[A
]
1 CurrentSource FALTA MONOFASICACorrente ANSOFT
Curve Info
Current(Phase_A)Setup500ms : Transient
Current(Phase_B)Setup500ms : Transient
Current(Phase_C)Setup500ms : Transient
Current(Phase_D)Setup500ms : Transient
Current(Phase_E)Setup500ms : Transient
84
Figura 95 - Tensões Induzidas - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase
Figura 96 - Velocidade em rpm - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase
Figura 97 - Conjugado em N.m - Falta Monofásica com controle tolerante a falta de fase
Observa-se que durante o transitório da falta, o sistema encontra-se em condição
de funcionamento indesejável, provocando oscilações de baixa frequência no conjugado
22.31 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00Time [ms]
-136.89
-100.00
-50.00
0.00
50.00
100.00
144.01
Y1
[V
]
1 CurrentSource FALTA MONOFASICATensão Induzida ANSOFT
Curve Info
InducedVoltage(Phase_A)Setup500ms : Transient
InducedVoltage(Phase_B)Setup500ms : Transient
InducedVoltage(Phase_C)Setup500ms : Transient
InducedVoltage(Phase_D)Setup500ms : Transient
InducedVoltage(Phase_E)Setup500ms : Transient
13.44 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 331.48Time [ms]
959.82
1100.00
1300.00
1500.00
1700.00
1900.00
2100.00
Mo
vin
g1
.Sp
ee
d [rp
m]
CurrentSourceBIF_____3Velocidade (rpm) ANSOFT
Curve Info
Moving1.SpeedSetup500ms : Transient
27.88 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 287.29Time [ms]
-3.11
2.50
12.50
22.50
32.50
42.50
48.55
Y1
[N
ew
ton
Me
ter]
1 CurrentSource FALTA MONOFASICATorque ANSOFT
Curve Info
Moving1.TorqueSetup500ms : Transient
Moving1.LoadTorqueSetup500ms : Transient
85
e na velocidade que podem provocar danos irreparáveis na máquina e no sistema de
acionamento.
7.3. Falta Bifásica com Controle Tolerante a Falta de Fase
No caso de perda de duas fases, foi acrescentada mais uma chave controlada, agora
no ramo da Fase B, conforme circuito da Figura 98. A simulação considerou a perda
simultânea das duas fases. Neste caso faz-se necessário ajustar a carga e o coeficiente de
atrito (damping) a fim de reduzir o valor das correntes remanescentes do estator e evitar
que os valores nominais sejam excedidos. Novamente, valores exatos para a inérica da
máquina, atrito e conjugado de carga não foram tratados aqui por estarem fora do escopo
deste trabalho.
Figura 98 - Falta Bifásica - Chaves Controladas e Circuito de Controle - Circuit Editor
Novamente, pela teoria e cálculos apresentados em [9], para o caso de Falta
Bifásica o estudo de controle demonstrou que seriam necessárias as seguintes correções:
𝐼cs∗ (𝑡) = 2.2361𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 −2𝜋
5)
0
0
0
0
0
0
0
0 LPhase_B
LPhase_C
LPhase_D
LPhase_E
IqLabelID=IPhase_A
IqLabelID=IPhase_B
IqLabelID=IPhase_C
IqLabelID=IPhase_D
IqLabelID=IPhase_E
ModelV
ModelNameSW1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso1
1ohm
R380
LabelID=IVoltimeter1
+ 0V0.01VLabelID=VPulso3
1ohm
R398
LabelID=IVoltimeter3
ModelV
ModelNameSW2
+ 0V0.01VLabelID=VPulso2
1ohm
R402
LabelID=IVoltimeter2
0ALabelID=IControl_B
2.2361*Iq ALabelID=IControl_CV
S_SW2
V
S_SW2
2.618*Iq A
LabelID=IControl_DV
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
2.2361*Iq ALabelID=IControl_E
V
S_SW3
V
S_SW2
V
S_SW3
V
S_SW2
LPhase_A
resist
R519
resistcorrigida
R525
resist
R529
resistcorrigida
R530
resist
R531
resistcorrigida
R532
resist
R534
resistcorrigida
R535
resist
R536
V
S_SW3
V
S_SW3 R_enrol
R834
R_enrol
R835
R_enrol
R836
R_enrol
R837
R_enrol
R838
resistcorrigida
R883
0ALabelID=IControl_A
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
V
S_SW1
86
𝐼ds∗ (𝑡) = 2.618𝐼qs
∗ cos (𝑤𝑡 +4𝜋
5)
𝐼es∗ (𝑡) = 2.2361𝐼qs
∗ cos(𝑤𝑡)
Os resultados para curvas de Corrente, Tensão Induzida, Velocidade e Conjugado
são apresentados nas Figuras 99, 100, 101 e 102, respectivamente.
Figura 99 - Correntes - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase
Figura 100 - Tensões Induzidas - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase
0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.23Time [s]
-53.77
-40.00
-20.00
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
Y1
[A
]
2 CurrentSource FALTA BIFASICA1Corrente (A) ANSOFTCurrent(Phase_A)
Setup1s : Transient
Current(Phase_B)Setup1s : Transient
Current(Phase_C)Setup1s : Transient
Current(Phase_D)Setup1s : Transient
Current(Phase_E)Setup1s : Transient
0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.23Time [s]
-144.30
-50.00
50.00
150.00
250.00
350.00
446.67
Y1
[V
]
2 CurrentSource FALTA BIFASICA1Tensão Induzida (V) ANSOFT
Curve Info
InducedVoltage(Phase_A)Setup1s : Transient
InducedVoltage(Phase_B)Setup1s : Transient
InducedVoltage(Phase_C)Setup1s : Transient
InducedVoltage(Phase_D)Setup1s : Transient
InducedVoltage(Phase_E)Setup1s : Transient
87
Figura 101 - Velocidade em rpm - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase
Figura 102 - Conjugado em N.m - Falta Bifásica com controle tolerante a falta de fase
Como no caso monofásico, durante o transitório da falta, observou-se que a falta
de fase sem controle tolerante representa uma condição de funcionamento indesejável,
provocando oscilações de magnitudes elevadas e de baixa frequência na velocidade e no
conjugado, inaceitáveis para a máquina e ao sistema de acionamento.
Nota-se que após a atuação do controle tolerante, isto é, com o ajuste das correntes
remanescentes, o motor volta a trabalhar em uma região mais confortável de operação.
Pelos gráficos, a média dos valores de conjugado e velocidade, após o controle atuar,
0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.43Time [s]
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
4000.00
5000.00
Mo
vin
g1
.Sp
ee
d [rp
m]
2 CurrentSource FALTA BIFASICA1Velocidade (rpm) ANSOFT
Curve Info
Moving1.SpeedSetup1s : Transient
0.02 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.44Time [s]
-62.49
-45.00
-20.00
5.00
30.00
55.00
80.00
92.54
Y1
[N
ew
ton
Me
ter]
2 CurrentSource FALTA BIFASICA1Torque (N.m) ANSOFT
Curve Info
Moving1.TorqueSetup1s : Transient
Moving1.LoadTorque-10Setup1s : Transient
88
oscila em torno do nominal da máquina, próximo da condição normal, anterior a falta. Se
desconsiderarmos o ruído após a falta, estes valores tornam-se ainda melhores.
7.4. Análise Eletromagnética do MSIP Pentafásico
Como uma das principais ferramentas do MAXWELL 2D, é possível visualizar a
distribuição dos campos de maneira rápida e diagnosticar os pontos críticos da máquina
analisada. Será abordado novamente o assunto tratado no tópico 3, no entanto para o caso
específico do motor pentafásico.
Desse modo, o mapeamento eletromagnético com os plots de intensidade de
campo vetorial, densidade de fluxo e potencial magnético foram gerados. Primeiramente,
foi apresentado o mapeamento com a presença dos ímãs e apresentado nas Figuras 103,
104 e 105. Em seguida, os ímãs foram retirados para uma análise eletromagnética, sendo
possível notar a formação dos seis pólos, gerado pelo campo pulsante e girante apenas
pelo enrolamento pentafásico, porém com intensidade menor devido a ausência dos ímãs,
conforme é observado nas Figuras 106, 107 e 108.
Figura 103 - Intensidade de Campo Magnético (H), com ímãs permanentes
89
Figura 104 - Densidade de Fluxo Magnético (B) com ímãs permanentes
Figura 105 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) com ímãs permanentes
90
Figura 106 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes
Figura 107 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes
91
Figura 108 - Potencial Magnético - Linhas de Fluxo (A) sem ímãs permanentes
92
Capítulo 8. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
8.1. Considerações Finais
Neste trabalho, foi simulada a operação do MSIP em condições anormais para
comprovar que o esquema de controle tolerante a falta de fase pode manter a máquina
operante. A teoria de controle tolerante a falta foi aplicada e notou-se a recuperação de
desempenho do motor, por meio dos gráficos gerados e apresentados anteriormente.
Por meio de um software de elementos finitos foram obtidos resultados positivos.
Vale ressaltar que neste trabalho, as características eletromagnéticas e construtivas
tiveram maior participação, contribuindo para uma melhor confiabilidade da teoria. Em
outras palavras, a correção nas magnitudes e ângulos de fase mostrou-se consistente
novamente. Foram analisadas duas condições de falta de fase: falta da fase A e falta das
fases A e B. Uma análise de falta para as demais possibilidades de falta, seria uma
aplicação matemática análoga, onde novos valores de magnitude e ângulos seriam
encontrados para as correntes remanescentes.
Como esperado, a falta de fase sem controle tolerante representa uma condição de
funcionamento indesejável, provocando oscilações de grande magnitude e de baixa
frequência tanto para o conjugado como para a velocidade, o que causaria um trip da
máquina por atuação de algum sistema de proteção, como vibração por desbalanço, além
de danos irreparáveis ao sistema de acionamento.
Com a simulação no software de elementos finitos para máquinas elétricas,
comprova-se que o esquema de controle tolerante a falta de fase proposto é de fato
consistente. Esta proposta, elimina a necessidade de interligar o ponto neutro do motor
pentafásico com o ponto intermediário entre os capacitores do elo CC do inversor, que é
uma exigência para o funcionamento tolerante a falta de fase de um motor trifásico. O
controle individual das correntes remanescentes, quando da ocorrência da perda de uma
ou duas fases, é implementado e identifica-se a(s) fases que estão em falta e gera-se as
referências das correntes remanescentes apenas pelo controle, sem necessidade de
mudança no arranjo físico e componentes adicionais.
Desse modo, no MAXWELL 2D, os resultados das simulações realizadas
mostraram que, após a reconfiguração, a velocidade e o conjugado médio permaneceram
praticamente inalterados validando assim o esquema de controle tolerante a falta de fase
apresentado.
93
Nesse sentido, a proposta de motores multifásicos mais robustos, como os de ímãs
permanentes, impulsiona a confiabilidade de operação da máquina tendo em vista a
tolerância que estas possuem quando submetidas a falhas como perda de fases. Foram
apresentadas no tópico de Máquinas Multifásicas os motivos pelos quais devemos relevar
a instalação desses novos equipamentos nas fases de projeto das novas embarcações,
principalmente aquelas que irão se submeter às severas condições de mar e tempo. Com
a possibilidade de manter a embarcação com posicionamento e locomoção controlados e
operacionais, mesmo na falha com um número reduzido de fases do motor elétrico, o
intervalo de manutenção corretiva do propulsor pode ser extendido até que as condições
de tempo e mar estejam favoráveis para o reparo.
8.2. Trabalhos Futuros
Nas simulações apresentadas neste trabalho, a correção das magnitudes e ângulos
de fase na alimentação foi feita de forma direta, onde chaves de controle foram fechadas
instantaneamente, não havendo uma tratativa específica para suavizar os overshoots e
transitórios gerados neste momento, apesar da rápida resposta de regime permanente.
Por esta razão, seria interessante desenvolver um trabalho onde o inversor
pentafásico tivesse maior participação para suavizar a partida e o correção instantânea das
magnitudes e ângulos de fase no controle tolerante a falta de fase. Como sugestão,
manobras poderiam ser implementadas para um incremento rápido de tensão , porém não
instantâneo. Para resultados assertivos, valores específicos de inércia, frenagem e atrito
da máquina, bem como a carga a ser acionada, deverão ser cuidadosamente considerados
e analisados para um correto projeto de inversor pentafásico. Além disso, poderia-se
solucionar, por meio de filtros talvez, os ruídos remanescentes nas fases, o que resultaria
em um melhor desempenho da máquina.
Com relação ao contexto de materiais magnéticos, outro trabalho poderia ser
desenvolvido para uma análise da saturação dos ímãs permanentes e o impacto da
temperatura no desempenho do MSIP.
94
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98
ANEXO A - CHAPA DO ESTATOR PENTAFÁSICO
99
ANEXO B - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO ROTOR
100
ANEXO C - MSIP PENTAFÁSICO (REF. [9])
101
ANEXO D - ESQUEMA DE LIGAÇÃO - PARTE I
Distribuição de ranhuras, sequência de fase e pontos de início e de término das fases
102
ANEXO E - ESQUEMA DE LIGAÇÃO - PARTE II
103
104
ANEXO F – DIAGRAMA UNIFILAR DE EMBARCAÇÃO COM
PROPULSÃO TIPO POD E SISTEMAS INDEPENDENTES