Estimação de parâmetros de máquinas de indução pentafásicas

Abstract

Esta Tese aborda a estimação de parâmetros de máquinas de indução pentafásicas. Entre os principais objetivos e contribuições, destacam-se o estudo e desenvolvimento de novos métodos de estimação de parâmetros de máquinas de indução pentafásicas que utilizem ensaios simples e estimem tanto os parâmetros do circuito da onda fundamental da indução no entreferro quanto os parâmetros do circuito da componente de terceiro harmônico. O conhecimento acurado destes parâmetros é essencial para a implementação de diversas estratégias de controle com imposição de correntes com conteúdo harmônico para incremento da relação torque/corrente e para operação sob falta de fase. Dentro deste contexto, são propostos três novos métodos para a estimação dos parâ- metros de máquinas de indução pentafásicas. O primeiro método utiliza o conceito de impedância instantânea modificada e exige ensaios de partida em vazio com medições das tensões e correntes de fase do estator. Estes ensaios podem ser executados utilizando tensões senoidais, sendo neste caso necessários dois ensaios para estimar os parâmetros do circuito da onda fundamental da indução no entreferro e do circuito da componente de terceiro harmônico, ou então utilizando tensões trapezoidais geradas por inversor de frequência, possibilitando a estimação de todos os parâmetros com um único ensaio. O segundo método proposto envolve a identificação dos coeficientes de funções de transferência definidas para a máquina de indução pentafásica a partir da resposta a um degrau de tensão durante o qual o rotor permanece parado. A principal característica deste método é a consideração do impacto da saturação magnética nas estimativas dos parâmetros, para a qual é também apresentada uma análise com Elementos Finitos. Já o terceiro método é baseado no modelo de regime permanente senoidal em operação desbalanceada usando ensaios com o rotor parado, possuindo como principal característica a consideração do impacto que a frequência das tensões e correntes induzidas no rotor tem nos parâmetros, o que até o momento ainda não foi considerado por outros pesquisadores. A validação experimental dos três métodos propostos envolveu a estimação dos parâ- metros de dois protótipos de 4,5 kW e 5,5 kW, os quais foram utilizados em simulações do modelo d − q para comparação das correntes simuladas com as correntes medidas em ensaio, de forma a verificar indiretamente a acurácia dos métodos. Neste caso, observou-se que os melhores resultados são obtidos com o método baseado na impedância instantânea modificada; não obstante, bons resultados também foram obtidos com os demais métodos. Por fim, como exemplo de aplicação dos parâmetros estimados, também foi implementado um controle vetorial para o protótipo de 4,5 kW e medidas do desempenho em regime permanente deste protótipo foram determinadas. Ambos resultados comprovaram novamente a validade e acurácia dos métodos propostos.

This Thesis addresses the estimation of the parameters of five-phase induction machines. The main objectives and contributions of this work are the development of new methods to estimate the parameters of induction machines that require simple tests and provide estimates of the parameters of both the fundamental and the third-harmonic components of the airgap induction. An accurate knowledge of these parameters is essential for the implementation of several control strategies with imposition of third-harmonic currents to improve the torque/current ratio and to the operation under open-phase fault. Therefore, three new methods are proposed to estimate of the parameters of fivephase induction machines. The first method uses the concept of modified instantaneous impedance and requires no-load startup tests with measurements of stator phase voltage and currents. These tests can be executed with sinusoidal voltages, with a separate test being required to estimate the parameters of each harmonic component of the airgap induction wave, or using trapezoidal voltages generated by a frequency inverter; in the latter case, all parameters are estimated from a single test. The second method is based on the identification of transfer functions derived for the five-phase induction machine that describe the machine behavior during a voltage step during which the rotor remains at standstill. The main characteristic of this method is that it includes the effects of the iron saturation in the estimated parameters. In addition, for this method, a Finite Element Analysis is presented to validate the proposed procedure. The third method consists of estimating the parameters using an algorithm based on the sinusoidal steady-state model for the unbalanced operation with the rotor at standstill. The most relevant characteristic of this method is the consideration of the frequency of the induced voltage and currents in the rotor cage on the estimated parameters, which has been up to now disregarded by other researchers. The three methods proposed here were experimentally validated based on results obtained with two prototypes of 4.5 and 5.5 kW. Further, the accuracy of the methods was indirectly confirmed from the simulation of the d − q model implemented with the estimated parameters and the measured voltages as input, followed by a comparison between measured and simulated currents. This comparison led to the conclusion that the most adequate set of parameters were obtained with the method based on the modified instantaneous impedance; nevertheless, acceptable set of parameters can also be obtained by using the other two methods. Finally, as application examples of the use of the estimated parameters, the 4.5-kW prototype was tested while running under a vector control scheme and its steady state characteristics were also determined. Both results proved once again the validity and accuracy of the proposed methods.