Modelagem analítica para simulação de interações entre grandezas eletromagnéticas em geradores síncronos

Abstract

Este trabalho apresenta um modelo analítico para a simulação de formas de onda de grandezas eletromagnéticas – tais como a força magnetomotriz, a permeância, a indução magnética e o fluxo magnético – em geradores síncronos. O método se baseia nas equações fundamentais do eletromagnetismo aplicadas em processos de modulação de amplitudes. Também, utiliza-se de técnicas de bobinagem de estatores trifásicos para modelar a força magnetomotriz produzida pela armadura. Desenvolveram-se algoritmos para simular as grandezas eletromagnéticas a partir de alguns parâmetros construtivos da máquina, e também para a obtenção de formas de onda dessas grandezas de interesse, resultando na obtenção de seus espectros harmônicos. As formas de onda obtidas numericamente através da modelagem são tanto para máquinas consideradas sadias quanto para máquinas com algumas assimetrias provindas de processos construtivos presentes em máquinas reais e/ou provocadas por defeitos. Nas formas de onda são adicionados sinais de ruído estocástico, como se viessem do ruído eletromagnético de fundo presente no ambiente da máquina, assim como na presença de perturbações na frequência, tornando-a variável. São analisadas as formas de onda e seus espectros harmônicos resultantes da simulação de uma máquina de 8 polos e 72 ranhuras. Por fim, são construídos históricos de amplitudes das harmônicas da forma de onda da indução ou fluxo magnético, apresentando os efeitos de alterações que podem ser feitas nos parâmetros da máquina ou nas formas de onda das grandezas na intenção de simular imperfeições construtivas ou a presença de defeitos.

This work presents an analytical model for the simulation of waveforms of electromagnetic quantities - such as the magnetomotive force, the magnetic permeance and the magnetic induction - in synchronous generators. The method is based on electromagnetism's fundamental equations applied in amplitude modulation processes. Also, stator winding techniques for three-phase machines are used to model the magnetomotive force produced by the armature. Algorithms for the simulation of electromagnetic quantities using constructive parameters of the machine were developed, as well as for obtaining the waveforms of the quantities of interest, resulting in their harmonic spectra. The waveforms obtained by numeric calculations based on the model are for machines considered healthy with some asymmetries from the constructive processes present in real machines and/or caused by defects. Stochastic noise signals are also added to the waveforms, as if they came from the electromagnetic background noise present in the machine environment, as well as in the presence of frequency perturbations, making it variable. The waveforms and their harmonic spectra, resulting from the simulation of a machine with 8 poles and 72 stator slots, are analysed. At last, amplitude history graphs of the magnetic induction or magnetic flux waveforms are constructed, presenting the effects of alterations that can be done to the parameters of the machine or to the quantities waveforms with the intention of simulating constructive imperfections or the presence of defects.