Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Energia). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma máquina síncrona com ímãs permanentes de até 7,5 kW, no qual o núcleo do rotor, usualmente construído de chapas de aço laminadas, foi substituído por um bloco maciço de uma liga ferromagnética obtida através da metalurgia do pó. Para a construção do rotor, foram estudados materiais magnéticos macios sinterizados, a partir de ligas com ferro, onde foram avaliadas propriedades magnéticas, elétricas e mecânicas, os quais influenciam diretamente no desempenho da máquina. A partir destas propriedades foi definida uma liga, considerando que o rotor construído resultaria em um melhor desempenho na máquina. Testes foram efetuados, possibilitando uma comparação com máquinas construídas da maneira convencional. / The aim of this project is to develop a synchronous machine with permanent magnets up to 7.5 kW, where the rotor core, usually built of laminated steel sheets, was replaced by a massive block of a ferromagnetic alloy obtained through Powder Metallurgy. Process soft magnetic materials using iron alloys were studied in order to build the rotor, and the magnetic, electrical and mechanical properties were analyzed, due to their direct influence on the performance of the machine. An alloy was selected according to these analyses considering a better performance of the machine using the rotor built from this alloy. Experiments were carried out to enable a comparison to machines built in traditional processes.

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma máquina síncrona com ímãs permanentes de até 7,5 kW, no qual o núcleo do rotor, usualmente construído de chapas de aço laminadas, foi substituído por um bloco maciço de uma liga ferromagnética obtida através da metalurgia do pó. Para a construção do rotor, foram estudados materiais magnéticos macios sinterizados, a partir de ligas com ferro, onde foram avaliadas propriedades magnéticas, elétricas e mecânicas, os quais influenciam diretamente no desempenho da máquina. A partir destas propriedades foi definida uma liga, considerando que o rotor construído resultaria em um melhor desempenho na máquina. Testes foram efetuados, possibilitando uma comparação com máquinas construídas da maneira convencional. / The aim of this project is to develop a synchronous machine with permanent magnets up to 7.5 kW, where the rotor core, usually built of laminated steel sheets, was replaced by a massive block of a ferromagnetic alloy obtained through Powder Metallurgy. Process soft magnetic materials using iron alloys were studied in order to build the rotor, and the magnetic, electrical and mechanical properties were analyzed, due to their direct influence on the performance of the machine. An alloy was selected according to these analyses considering a better performance of the machine using the rotor built from this alloy. Experiments were carried out to enable a comparison to machines built in traditional processes.

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma máquina síncrona com ímãs permanentes de até 7,5 kW, no qual o núcleo do rotor, usualmente construído de chapas de aço laminadas, foi substituído por um bloco maciço de uma liga ferromagnética obtida através da metalurgia do pó. Para a construção do rotor, foram estudados materiais magnéticos macios sinterizados, a partir de ligas com ferro, onde foram avaliadas propriedades magnéticas, elétricas e mecânicas, os quais influenciam diretamente no desempenho da máquina. A partir destas propriedades foi definida uma liga, considerando que o rotor construído resultaria em um melhor desempenho na máquina. Testes foram efetuados, possibilitando uma comparação com máquinas construídas da maneira convencional. / The aim of this project is to develop a synchronous machine with permanent magnets up to 7.5 kW, where the rotor core, usually built of laminated steel sheets, was replaced by a massive block of a ferromagnetic alloy obtained through Powder Metallurgy. Process soft magnetic materials using iron alloys were studied in order to build the rotor, and the magnetic, electrical and mechanical properties were analyzed, due to their direct influence on the performance of the machine. An alloy was selected according to these analyses considering a better performance of the machine using the rotor built from this alloy. Experiments were carried out to enable a comparison to machines built in traditional processes.

O objetivo deste trabalho é comparar duas metodologias distintas ele cálculo de autovalores aplicadas na análise da estabilidade a pequenas perturbações em sistemas elétricos de potência. Um estudo detalhado para a determinação de um modelo para esta análise foi realizado, chegando-se a um modelo de dois eixos para o gerador e um modelo ele regulador de tensão com um tempo de atraso para o sistema. de excitação estático. Para aproveitar a esparsidade característica desta modelagem, o método de iterações de potência inversa (representando a abordagem sequencial) e o método ele iterações de subespaço (representando a abordagem em bloco) foram implementados. O primeiro método calcula estimativas convergentes para um autovalor em cada passo. No segundo método, estimativas para um bloco de autovalores são geradas simultaneamente. Técnicas ele aceleração e pré-condicionamento foram utilizadas para aumentar a eficiência dos métodos. Ao final, uma comparação entre os resultados dos diferentes algoritmos resultantes da incorporação destas técnicas é apresentada. / The objective of this work is to compare two distinct methodologies applied to the analysis of small-signal stability of electric power systems. A detailed study aiming the determination of a model for this analysis was done, and then the two-axis model for the generator and the voltage regulator with one time lag model for the static excitation system were chosen. To take advantage of the sparsity in this model, the inverse power iterations method (representing the sequential approach) and the subspace iterations method (representing the block approach) were implemented. The first method calculates convergent estimations for only one eigenvalue in each step. In the second method, estimations for an eigenvalue block are generated simultaneously. Acceleration and preconditioning techniques were used to improve the efficiency of these methods. In the end, a comparison among the results of the different algorithms resulting from the incorporation of these techniques is presented.

O objetivo deste trabalho é comparar duas metodologias distintas ele cálculo de autovalores aplicadas na análise da estabilidade a pequenas perturbações em sistemas elétricos de potência. Um estudo detalhado para a determinação de um modelo para esta análise foi realizado, chegando-se a um modelo de dois eixos para o gerador e um modelo ele regulador de tensão com um tempo de atraso para o sistema. de excitação estático. Para aproveitar a esparsidade característica desta modelagem, o método de iterações de potência inversa (representando a abordagem sequencial) e o método ele iterações de subespaço (representando a abordagem em bloco) foram implementados. O primeiro método calcula estimativas convergentes para um autovalor em cada passo. No segundo método, estimativas para um bloco de autovalores são geradas simultaneamente. Técnicas ele aceleração e pré-condicionamento foram utilizadas para aumentar a eficiência dos métodos. Ao final, uma comparação entre os resultados dos diferentes algoritmos resultantes da incorporação destas técnicas é apresentada. / The objective of this work is to compare two distinct methodologies applied to the analysis of small-signal stability of electric power systems. A detailed study aiming the determination of a model for this analysis was done, and then the two-axis model for the generator and the voltage regulator with one time lag model for the static excitation system were chosen. To take advantage of the sparsity in this model, the inverse power iterations method (representing the sequential approach) and the subspace iterations method (representing the block approach) were implemented. The first method calculates convergent estimations for only one eigenvalue in each step. In the second method, estimations for an eigenvalue block are generated simultaneously. Acceleration and preconditioning techniques were used to improve the efficiency of these methods. In the end, a comparison among the results of the different algorithms resulting from the incorporation of these techniques is presented.

Submitted by Amanda Freitas (amanda.freitas@ufpe.br) on 2015-04-17T13:47:41Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO João Marcus Pereira Lima e Silva.compressed.pdf: 3614233 bytes, checksum: 23563e62671e2a1ac7b7a0032bfaab6b (MD5) / Made available in DSpace on 2015-04-17T13:47:41Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DISSERTAÇÃO João Marcus Pereira Lima e Silva.compressed.pdf: 3614233 bytes, checksum: 23563e62671e2a1ac7b7a0032bfaab6b (MD5) Previous issue date: 2013-07-31 / O objetivo deste trabalho é apresentar uma proposta de modelagem abordando os circuitos internos de rotor destinada, à determinação das correntes presentes nestes. As simulações foram relizadas em MATLAB/SIMULINK® usando equações de fluxo. Também é mostrado o comportamento das correntes com a variação da velocidade da máquina a partir da resolução do sistema de equações resultante do modelo a parâmetros de circuito, parâmetros esses que são obtidos a partir dos dimensionais da máquina e dos materiais dos quais ela é constituída. Também são mostradas equações para obtenção das frequências de banda da fundamental, que são as indicadoras da existência de circuitos interrompidos. Estão inclusos também resultados da aplicação em um caso real para uma máquina de 150 MVA, contemplando variações de valores mecânicos da máquina, a exemplo da medida do encaixe entre a barra e o anel de curto-circuito (end ring) ou o valor da medida da parte inclinada das bobinas estatóricas e as distribuições de corrente nas barras por polo. Também são mostradas as formas de se calcular os parâmetros que alimentarão tanto as simulações, quanto o sistema de equações destinado à determinação das correntes, bem como o comportamento de cada corrente em cada barra com a variação do escorregamento. As dinâmicas de torque, ângulo de carga, correntes de armadura e velocidades do eixo da máquina são expostas para o caso de uma máquina sadia, ou seja isenta de defeitos, e de uma máquina defeituosa apresentando um circuito interrompido.

Este trabalho tem como objetivo uma análise da operação Assíncrona da Máquina Síncrona, atuando como gerador e como motor. Após as considerações gerais do Capítulo I, referentes aos transitórios eletromecânicos nas máquinas Síncronas, apresentamos no Capítulo II um método de análise para o estudo da Operação Assíncrona como gerador; cujos resultados são aplicados à previsão do comportamento de duas máquinas Síncronas reais, um hidro-gerador e um turbo-gerador. Ainda neste Capítulo oferecemos, para uma terceira máquina, uma comparação de resultados obtidos pelo método ora apresentado e por método elaborado por outros autores. No Capítulo III estabelecemos um confronto entre os resultados obtidos experimentalmente em máquina existente em nossos laboratórios. Face à abrangência do método aqui desenvolvido, no Capítulo VI aplicamo-lo também à análise do importante problema da partida da máquina síncrona como motor assíncrono, com a devida consideração das ações próprias do enrolamento amortecedor e do enrolamento de campo, a ser fechado através de resistores adequados. As conclusões vem resumidas no Capítulo V, onde sugerimos futuros trabalhos, incluindo efeitos aqui não considerados, visando o aprimoramento dos resultados obtidos. Os processos adotados para a determinação experimental de parâmetros bem como as expressões das constantes necessárias para a aplicação do método ora desenvolvido, resultantes da solução de sistemas de equações simultâneas, encontram-se nos Apêndices I e II. / This work is concerned with the analysis of the Assynchronous Operation of Synchronous Machines acting as generator and motor. After the general considerations in Chapter I, referring to electromechanical transients in Synchronous Machines, we introduce in Chapter II a method of analysis of Assynchronous Operation as a generator, whose results are applied to the prevision of the performance of two real synchronous machines, an hidro-generator and a turbo-generator. We also present in the same Chapter, for a third machine, a comparison of the results obtained by the method here introduced and these obtained by another method by other authors. In Chapter III we offer a comparison of the theoretical results obtained with field test results in machine of our laboratories. The method here developed is not restricted to any particular condition of operation. So, in Chapter IV we applied it to an important problem involving synchronous machine: the starting of synchronous motor by the action of damper and field windings, the last one closed through suitable resistors. The conclusions are resumed in Chapter V, where we suggest future works, including effects not considered here, looking for new approachs to the results. In appendix I we explain the experimental methods for the determination of the parameters of the machine and in the Appendix II we summarize the expressions of the several constants which came from the solution of systems of differential equations.

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.

Desenvolvimento de uma máquina síncrona trifásica com ímãs de Nd-Fe-B e núcleo do rotor a partir de ferro sinterizado para aplicação em aerogeradores de 7,5 kW, verificando a viabilidade do protótipo. Partindo de um projeto anteriormente desenvolvido, foi realizada alteração no ângulo das chapas do estator em 10º, com o intuito de minimizar o efeito de correntes parasitas, sendo esse um dos fatores que influenciam os resultados. Para avaliação de desempenho, foi utilizada uma bancada de testes composta de analisador de energia, sensor de torque e instrumentos de medição, sendo o acionamento do protótipo realizado através de um motor de indução controlado por um inversor de frequência. Entre os resultados encontrados, foi constatada a presença de harmônicas que impactam sobre os valores obtidos do protótipo. Os testes realizados, de simulação e parâmetros elétricos, indicaram resultados apropriados ao desempenho de uma máquina elétrica trifásica, porém mostram-se necessárias alterações para um melhor desempenho do protótipo. / Development of a three-phase synchronous machine with Nd-Fe-B magnets and rotor core from sintered iron for application in 7.5 kW wind turbines, verifying the feasibility of the prototype. Starting from a previously developed design, a change in the angle of the stator plates was made in 10º, in order to minimize the effect of the parasite currents, being one of the factors that influence the results. For performance evaluation, a test bench composed of energy analyzer, torque sensor and measuring instruments was used, and the drive of the prototype was carried out through an induction motor controlled by a frequency inverter. Among the results found, it was verified the presence of harmonics that impact on the values obtained from the prototype. The tests performed, simulation and electrical parameters, indicated results appropriate to the performance of a three-phase electric machine, however changes are needed for a better performance of the prototype.