Aprendizado de máquina aplicado à caracterização do ponto de operação empregando o campo magnético externo em máquinas síncronas

Abstract

Os geradores síncronos de rotor bobinado são parte fundamental da geração de energia elétrica. O monitoramento dessas máquinas é importante, uma vez que sua operação precisa ser confiável. Neste contexto, há pesquisas recentes na área monitoramento de máquinas elétricas rotativas por meio do campo magnético externo com o objetivo desenvolver métodos capazes de detectar faltas elétricas e mecânicas em estado inicial. Em processos de detecção de faltas em estágio inicial por meio do campo magnético externo, há uma lacuna em não se considerar a influência de variações no ponto de operação no comportamento do campo magnético externo de geradores síncronos conectados à rede elétrica. Investigações experimentais que consideram o ponto de operação em suas análises relatam que as alterações causadas no campo externo pelo ponto de operação precisam ser levadas em conta em processos de monitoramento. O ponto de operação provoca alterações significativas no campo magnético externo da máquina, e podem ser maiores do que aquelas provocadas por faltas incipientes. Este trabalho apresenta uma modelagem do ponto de operação de um gerador síncrono de polos salientes tendo como dado de entrada o campo magnético externo. Experimentos foram realizados em um gerador sincronizado à rede para coletar formas de onda associadas ao campo magnético externo e dados relativos ao ponto de operação, como potência ativa, potência reativa e tensão. Este conjunto de dados foi tratado, obtendo dois conjuntos de dados: um conjunto de dados independentes do tempo e um conjunto de dados dependentes do tempo. Uma parcela dos dados coletados foi analisada e utilizada como treinamento para gerar um modelo capaz de estimar o ponto de operação do gerador apenas com informações do campo magnético externo. Obteve-se como resultado um modelo de regressão que utiliza as amplitudes das harmônicas da taxa de variação do campo magnético externo para estimar o ponto de operação do gerador. Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios apresentando desvios na ordem de 1% da potência nominal do gerador, o que indica a capacidade do método proposto.

Abstract: Wound rotor synchronous generators are a fundamental part of power generation. The monitoring of these machines is important as their operation must be reliable. In this context, the monitoring of rotating electrical machines by means of the external magnetic field has been studied recently with the aim of developing methods capable of detecting electrical and mechanical faults at an early stage. There is a gap in the early-stage fault detection methods using the external magnetic field, as they do not take into account the influence of operating point variations on the behavior of the external magnetic field of synchronous generators connected to the grid. Experimental studies that consider the operating point in their analysis report that the changes in the external field caused by the operating point need to be considered in the monitoring processes. The operating point causes significant changes in the external magnetic field of the machine, which can be greater than those caused by incipient faults. This dissertation presents a modelling of the operating point of a salient pole synchronous generator using the external magnetic field as input data. Experiments were carried out to obtain a reliable data set. This data set was processed to obtain two sets of data: a set of time-independent data and a set of time-dependent data. A portion of the collected data was analyzed and used as training to generate a model capable of estimating the generator operating point using only information from the external magnetic field. The result was a regression model that used the amplitudes of the harmonics of the rate of change of the external magnetic field to estimate the operating point of the generator. The results obtained were considered satisfactory, indicating the capability of the proposed method.