Estudo teórico e experimental sobre a frenagem regenerativa da máquina de indução linear

Abstract

A grande maioria das pesquisas sobre máquinas de indução lineares foca apenas a sua operação como motor. Diferentemente, a presente tese aborda a aplicação de tal máquina como um gerador para sistemas de frenagem regenerativa que operam diretamente com movimento linear. O presente trabalho mostra detalhadamente o projeto, a construção e os testes de duas máquinas de indução trifásicas para fins de pesquisa: uma máquina setorial e uma máquina linear. Ambas as máquinas apresentam efeitos de extremidade, que causam desequilíbrios entre as fases e afetam suas características de desempenho. Contudo, as pesquisas normalmente não abordam estes desequilíbrios. Assim, esta tese apresenta e analisa as correntes e potências por fase, bem como os seus efeitos sobre o rendimento e a força eletromagnética. Isto foi feito mediante o desenvolvimento de um modelo de circuito equivalente trifásico para a máquina linear alimentada em tensão, de modo a levar em consideração os desequilíbrios de correntes e potências nas três fases. O modelo é validado a partir de testes sob diversas frequências e velocidades de operação, que produziram os resultados teóricos e os experimentais para comparação. Apresenta-se também um estudo teórico sobre a utilização da máquina de indução linear para frenagem regenerativa de um trem diesel elétrico. O modelo do trem inclui inclinação e curvatura da via, inércia, atritos e efeitos aerodinâmicos. O comportamento de diversas grandezas elétricas e mecânicas é apresentado e analisado. Os resultados indicam que o sistema apresenta boas características para a aplicação desejada. A frenagem regenerativa reduz a necessidade do freio mecânico, o que leva a um menor desgaste dos componentes do freio mecânico. O baixo rendimento da máquina de indução linear é principal fator que limita a recuperação de energia. As máquinas sob estudo apresentaram rendimentos entre 22% e 55%.

Most of the research on linear induction machines has focussed on their operation as motors. Differently, this thesis deals with the operation of such machine as a generator for application in regenerative braking systems that operate directly with linear motion. The present work shows in detail the design, construction and tests of two three-phase induction machines for research purposes: a sector machine and a linear machine. Both of them present end effects which cause imbalances between the phases and affect their performance characteristics. However, researches usually do not address these imbalances. Hence, this thesis presents and analyses the current and power per phase, as well as their effects on the efficiency and on the electromagnetic force. That was done by means of the development of a three-phase equivalent circuit model for the linear machine with voltage feed, in order to take into account the imbalanced currents and powers for the three phases. The model is validated from tests performed under various excitation frequencies and operation speeds, which provide experimental and theoretical results for comparison. This work also presents a theoretical study on the application of the linear induction machine for regenerative braking of a diesel electric train. The train model includes railroad grade and curvature, inertia, friction and aerodynamic effects. The behaviour of several electrical and mechanical quantities is presented and analysed. Results indicate that the system has good features for the intended application. The regenerative braking reduces the need of the mechanical brake, leading to less wear on braking mechanical components. The low efficiency of the linear induction machine is the main factor that limits the energy recovery. The machines under study produced efficiencies between 22% and 55%.