Neste trabalho é estudado um motor trifásico de ímã permanente no rotor, com fluxo não senoidal, através da análise do campo magnético. Essa máquina foi projetada utilizando-se a estrutura ferromagnética do estator de um motor de indução monofásico de 24 ranhuras o qual recebeu um novo enrolamento trifásico, e foi construído o rotor que é constituído de ímãs permanentes em sua superfície. Ela é aplicada em compressores herméticos de refrigeração, possibilitando o controle de velocidade e a melhoria da eficiência, quando comparada às demais máquinas utilizadas para a mesma aplicação. O estudo é realizado através da análise dos resultados obtidos utilizando-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos, aplicado em grandezas como: tensão induzida, densidade de fluxo magnético, torque eletromagnético e perdas. São apresentados resultados numéricos comparativos para a máquina existente (protótipo) com as seguintes alterações: diminuição do tamanho do entreferro, troca dos ímãs de ferrita pelos de NdFeB (Bonded) e, juntamente com essas mudanças, o recálculo do número de espiras e do diâmetro do enrolamento do estator. / In this work is studied a three-phase permanent-magnet motor, with nonsinusoidal flux, through the analysis of magnetic field. This machine was designed to use the same stator of a 24 slots single-phase induction motor that received a new three-phase winding. The rotor consists of permanent-magnet on its surface. The main application of this machine is in hermetic compressor household refrigeration systems. It has speed control and better efficiency than other machines used for the same application. The study is made through the analysis of numerical results, obtained by a software joint in the finite element method. The results consist in electromagnetic quantity like, back-emf, magnetic flux density, electromagnetic torque and losses. Comparisons between the prototype with these changes are presented: fall in the size of airgap, exchange of ferrite magnets for NdFeB (Bonded) magnets and, together with these changes, the number of turns in each winding and the wire diameter are recalculated.

Ondulações de torque devido à comutação de fases é apontada como a principal desvantagem do método de controle 6 pulsos convencional do motor síncrono de ímã permanente no rotor com força contra-eletromotriz trapezoidal. Para reduzir essas ondulações, diferentes estratégias de controle vetorial dessa máquina são apresentadas na literatura. Nesse trabalho é proposto e analisado o controle vetorial dessa máquina utilizando uma malha de controle de corrente baseada no Finite Control-Set Model-based Predictive Control (FCS-MPC). Como resultado, a estrutura de controle vetorial proposta é capaz de reduzir as ondulações de torque de comutação e também aquelas provenientes de imperfeições da força contraeletromotriz trapezoidal. Esse resultado é atingido sem a alteração da estrutura do conversor, adição de circuito ou alteração na tensão de barramento. Em termos de desempenho dinâmico, são demonstradas a rápida dinâmica de torque sem necessidade de sintonia ou projeto de ganhos de controlador e dinâmica desacoplada das variáveis de controle sem necessidade de cálculo de termos de desacoplamento. Esses resultados apontam vantagens sobre recentes propostas na literatura baseada em controladores lineares. Também é implementado uma estratégia de melhoria de desempenho do FCS-MPC baseado na inclusão do conceito de ciclo de trabalho. Essa abordagem permite reduzir significativamente, em baixa velocidade, a banda de ondulação da corrente de estator e torque da máquina, demonstrando uma melhoria em relação ao FCS-MPC sem ciclo de trabalho. / Torque ripples due to phase commutation are pointed to the main drawback of 120 degree 6 step control of synchronous motor with trapezoidal back electromotive force (back EMF). To reduce these ondulations, different vector control strategies are presented in the literature. This study proposes and analyzes the application of the Finite Control-Set Model-based Predictive Control in the current loop of vector control strategy of permanent magnet synchronous motor with trapezoidal back EMF. As a result, the control structure reduces the torque ripple comming from phase commutation and back EMF shape imperfections. This result is achieved without changing the converter topology, the DC link voltage or including aditional circuit. Concerning to dynamic response, the proposed control strategy offers fast torque dynamics without gain tunning needed and decoupled dynamic of variable control. Furthermore, it is implemented an improvement approach to FCS-MPC based on duty-cycle concept. This strategy reduces significantly the torque ripple in low speed range, demonstrating an advance over conventional FCS-MPC.

Ondulações de torque devido à comutação de fases é apontada como a principal desvantagem do método de controle 6 pulsos convencional do motor síncrono de ímã permanente no rotor com força contra-eletromotriz trapezoidal. Para reduzir essas ondulações, diferentes estratégias de controle vetorial dessa máquina são apresentadas na literatura. Nesse trabalho é proposto e analisado o controle vetorial dessa máquina utilizando uma malha de controle de corrente baseada no Finite Control-Set Model-based Predictive Control (FCS-MPC). Como resultado, a estrutura de controle vetorial proposta é capaz de reduzir as ondulações de torque de comutação e também aquelas provenientes de imperfeições da força contraeletromotriz trapezoidal. Esse resultado é atingido sem a alteração da estrutura do conversor, adição de circuito ou alteração na tensão de barramento. Em termos de desempenho dinâmico, são demonstradas a rápida dinâmica de torque sem necessidade de sintonia ou projeto de ganhos de controlador e dinâmica desacoplada das variáveis de controle sem necessidade de cálculo de termos de desacoplamento. Esses resultados apontam vantagens sobre recentes propostas na literatura baseada em controladores lineares. Também é implementado uma estratégia de melhoria de desempenho do FCS-MPC baseado na inclusão do conceito de ciclo de trabalho. Essa abordagem permite reduzir significativamente, em baixa velocidade, a banda de ondulação da corrente de estator e torque da máquina, demonstrando uma melhoria em relação ao FCS-MPC sem ciclo de trabalho. / Torque ripples due to phase commutation are pointed to the main drawback of 120 degree 6 step control of synchronous motor with trapezoidal back electromotive force (back EMF). To reduce these ondulations, different vector control strategies are presented in the literature. This study proposes and analyzes the application of the Finite Control-Set Model-based Predictive Control in the current loop of vector control strategy of permanent magnet synchronous motor with trapezoidal back EMF. As a result, the control structure reduces the torque ripple comming from phase commutation and back EMF shape imperfections. This result is achieved without changing the converter topology, the DC link voltage or including aditional circuit. Concerning to dynamic response, the proposed control strategy offers fast torque dynamics without gain tunning needed and decoupled dynamic of variable control. Furthermore, it is implemented an improvement approach to FCS-MPC based on duty-cycle concept. This strategy reduces significantly the torque ripple in low speed range, demonstrating an advance over conventional FCS-MPC.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Thesis proposes sensorless vector control schemes that combine designed observers in the discrete-time domain to estimate the rotor position and speed for a permanent magnet synchronous generator of non-salient poles. Two control schemes are proposed. The first scheme is based on a discrete sliding mode current observer in series with an adaptive electromotive force observer. Then, the sliding conditions that assure the sliding motion around the sliding surface are derived to ensure the stability of the current observer as well as an innovative design procedure is proposed for it. Moreover, the electromotive force observer is designed using Lyapunov s Discrete Direct Method, which provides the estimated rotor position and speed. The second scheme extends the developed methodology for the former, considering the parametric uncertainties and eliminating the high frequency components of chattering. The second scheme uses a discrete sliding mode current observer as in the first scheme. However, the electromotive force observer is replaced by a phase-locked loop in series with a discrete sliding mode robust differentiator, which follows the proposed methodology for the discrete sliding mode current observer. Experimental results validate the theoretical analysis and demonstrate the performance of the proposed control schemes considering a small scale wind energy conversion system. In addition, proposed schemes are compared with others of the literature. It should be noticed that the whole approach is carried out in discrete time domain making it suitable for a microcontroller or digital signal processor implementation. / Esta Tese propõe esquemas de controle vetorial sem sensores mecânicos de posição e de velocidade que combinam observadores projetados no domínio de tempo discreto para estimar essas variáveis para um gerador síncrono a ímãs permanentes de polos não salientes. Dois esquemas de controle são propostos. O primeiro esquema baseiase em um observador de corrente por modos deslizantes discretos em série com um observador adaptativo de força eletromotriz. Então, as condições de deslizamento que asseguram os modos deslizantes em torno da superfície de deslizamento são estabelecidas no domínio de tempo discreto para garantir a estabilidade do observador de corrente e um inovador procedimento de projeto para ele é proposto. Em seguida, o observador de força eletromotriz é projetado usando o método direto de Lyapunov discreto, que fornece a posição e a velocidade rotóricas estimadas. O segundo esquema estende a metodologia desenvolvida para o primeiro, considerando as incertezas paramétricas bem como eliminando as componentes de alta frequência de chattering. O segundo esquema usa um observador de corrente por modos deslizantes discretos como o primeiro. Entretanto, o observador de força eletromotriz é substituído por um retentor de fase em série com um diferenciador robusto por modos deslizantes discretos, que segue a metodologia proposta para o observador de corrente. Resultados experimentais validam a análise teórica desenvolvida e demonstram o desempenho dos esquemas de controle propostos considerando um sistema de conversão de energia eólica de pequeno porte. Além disso, os esquemas propostos são comparados com outros da literatura. Ressalta-se que a toda abordagem é desenvolvida no domínio de tempo discreto tornando-a apta para uma implementação em microcontroladores e em processadores digitais de sinais.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.