Eric Serge Sanches
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PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ESCOLA DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Tese de Doutorado UMA CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO E CONTROLE DE UM MOTOR DE RELUTÂNCIA CHAVEADO DE FLUXO AXIAL COM UM SÓ ESTATOR ERIC SERGE SANCHES DEZEMBRO DE 2015 ERIC SERGE SANCHES UMA CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO E CONTROLE DE UM MOTOR DE RELUTÂNCIA CHAVEADO DE FLUXO AXIAL COM UM SÓ ESTATOR Tese de Doutorado apresentada ao Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica da UFF como parte dos requisitos para a obtenção do título de Doutor em Ciências em Engenharia Mecânica Orientador: Prof. Dr. José Andrés Santisteban Larrea (PGMEC/UFF ) UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 16 DE DEZEMBRO DE 2015 À minha família e aos amigos que direta ou indiretamente contribuíram para a concretização deste sonho. AGRADECIMENTOS Ao Professor José Andrés Santisteban Larrea um agradecimento do fundo do meu coração pelo auxílio inestimável na realização deste sonho, pois quando perdia o rumo ele me indicava o norte. À Professora Stella Maris pelo apoio prestado nos primeiros passos desta empreitada. Aos Professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PGMEC) da Universidade Federal Fluminense pelos ensinamentos ministrados. Ao Professores do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal Fluminense, em especial Márcio Sens, Guilherme Sotelo e Vitor Hugo, pelo apoio e incentivo prestados durante a realização desta pesquisa. Aos amigos engenheiros e técnicos Itamar e equipe (AMRJ), Almir, Fabrício, Silvio, Amaro, Branquinho, Pedro, Medeiros, Christopher Grey, Roberto Brandão, Gustavo e José Carlos, pela ajuda na parte experimental desta pesquisa e constante incentivo. Ao amigo Ribas pela sabedoria e paciência na revisão do texto da tese. EPÍGRAFE “The path that leads to scientific discovery very often begins when one of us takes an adventurous step into the world of endless possibilities. Scientists intrigued by a mere glimpse of a subtle variation may uncover a clue or link, and from that fragment emerges an idea to be developed and worked into shape”. “O caminho que leva à descoberta científica, muitas vezes começa quando um de nós dá um passo aventureiro no mundo de infinitas possibilidades. Os cientistas intrigados com um mero vislumbre de uma variação sutil podem descobrir uma pista ou elo, e a partir desse fragmento surge uma idéia para ser desenvolvida e trabalhada em forma.” Dr. Madan M. Gupta - 1999 RESUMO O Motor de Relutância Chaveado (MRC) é uma máquina elétrica cujo conjugado é produzido pela tendência de sua parte móvel se mover para uma posição onde a indutância do enrolamento excitado da parte fixa é maximizada, diferentemente dos motores elétricos mais comuns que utilizam o princípio da criação da força eletromecânica por meio da interação entre fluxos magnéticos. Nesta tese foi pesquisado o MRC de fluxo axial com somente um estator, estudado por poucos pesquisadores. Neste tipo de MRC as indutâncias mútuas não podem ser desprezadas, sendo avaliados três diferentes métodos para determiná-las: experimental, elementos finitos bidimensionais e elementos finitos tridimensionais. A pesquisa explorou a estratégia de controle do perfil de corrente para redução das oscilações do conjugado, sendo feitas simulações dinâmicas de controle de velocidade em malha fechada no ambiente MatLab/Simulink® para diferentes tipos de controle: PID convencional, PID nebuloso e PID neural. Um protótipo do MRC de fluxo axial e diversos circuitos (conversor de potência, sensor de corrente, sensor de posição e controlador) foram construídos para a realização de experimentos a fim de comparar os diferentes tipos de controle simulados em computador. Palavras-chave: Motor de relutância chaveado de fluxo axial. Minimização das oscilações no conjugado. Controlador PID de velocidade. Controlador nebuloso de velocidade. Controlador neural de velocidade. Microcontrolador. Modelagem via elementos finitos. ABSTRACT The Switched Reluctance Motor (SRM) is an electric motor whose torque is produced by the tendency of its movable part to move to a position where the inductance of the excited winding of the fixed part is maximized, unlike the more common electric motors that use the principle of electromechanical force created by the interaction of magnetic flux. This thesis has researched the SRM with axial magnetic flux with only one stator, studied by few researchers. In this type of SRM the mutual inductances can not be ignored and three different methods were evaluated to determine them: experimental, two-dimensional finite element and three-dimensional finite element. The research explored the strategy of current profile control for reducing torque ripple, and dynamic simulations of speed control closed loop environment in MatLab / Simulink® for different types of controllers: conventional PID, fuzzy PID and neural PID. A prototype of the SRM and various circuits (power converter, current sensor, position sensor and controller) were built to conduct experiments to compare the different control methods simulated by computer. Keywords: Axial flux switched reluctance motor. Torque ripple minimization. PID speed controller. Fuzzy speed controller. Neural speed controller. Miccrocontroller. Finite element modeling. SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 27 1.1 MOTIVAÇÃO ......................................................................................... 27 1.2 HISTÓRICO .......................................................................................... 29 1.3 OBJETIVOS .......................................................................................... 30 1.4 CONTRIBUIÇÕES ORIGINAIS DESTA TESE ...................................... 31 1.5 ESTRUTURA DA TESE ........................................................................ 31 2 MOTOR DE RELUTÂNCIA CHAVEADO (MRC) .......................................... 33 2.1 OUTROS NOMES UTILIZADOS PARA O MRC (MILLER, 1993) ......... 34 2.2 CLASSIFICAÇÕES DO MRC ................................................................ 35 2.2.1 QUANTO À SIMETRIA DOS PÓLOS .......................................... 35 2.2.2 QUANTO À NATUREZA DO MOVIMENTO ................................. 36 2.2.2.1 MRC ROTATIVO .............................................................. 36 2.2.2.1.1 MRC Rotativo de Fluxo Radial .......................... 38 2.2.2.1.2 MRC Rotativo de Fluxo Axial ............................ 41 2.2.2.2 MRC LINEAR ................................................................... 43 2.3 CONVERSORES DE POTÊNCIA ......................................................... 45 2.4 SENSOR DE POSIÇÃO ........................................................................ 49 2.4.1 DESCRIÇÃO DE ALGUNS SENSORES DE POSIÇÃO .............. 49 2.4.2 ELIMINAÇÃO DO SENSOR DE POSIÇÃO ................................. 51 3 MODELAGEM DO MOTOR DE RELUTÂNCIA CHAVEADO (MRC) ........... 52 3.1 PARÂMETROS FÍSICOS DO PROTÓTIPO DO MRC DE FLUXO AXIAL . .............................................................................................................. 53 3.2 PERFIL IDEAL DA INDUTÂNCIA PRÓPRIA ........................................ 57 3.3 EXPERIMENTO PARA ESTIMAR AS INDUTÂNCIAS ......................... 61 3.4 MODELOS PARA CÁLCULO DAS INDUTÂNCIAS .............................. 64 3.4.1 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS BIDIMENSIONAL (MEF-2D) . ..................................................................................................... 65 3.4.2 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS TRIDIMENSIONAL (MEF- 3D) ............................................................................................... 68 3.5 MODELO PARA CÁLCULO DO CONJUGADO ELETROMAGNÉTICO 70 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ................................................... 75 4.1 INDUTÂNCIAS ESTIMADAS EXPERIMENTALMENTE ....................... 76 4.2 INDUTÂNCIAS OBTIDAS COM O MEF BIDIMENSIONAL ................... 83 4.3 INDUTÂNCIAS OBTIDAS COM O MEF TRIDIMENSIONAL ................ 88 4.4 COMPARAÇÕES ENTRE AS INDUTÂNCIAS CALCULADAS PELOS TRÊS MÉTODOS ................................................................................. 89 4.6 AJUSTES DAS CURVAS DE INDUTÂNCIAS ....................................... 93 4.7 CONJUGADO RESULTANTE ............................................................... 97 5 CONTROLE DO MRC DE FLUXO AXIAL .................................................. 104 5.1 HISTÓRICO ........................................................................................ 105 5.2 CONTROLE CONVENCIONAL ........................................................... 107 5.2.1 CONTROLADORES PID ........................................................... 108 5.2.2 SIMULAÇÃO EM MATLAB® .................................................................................. 111 5.2.3 PID CONVENCIONAL COM PULSOS DE CORRENTE............. 117 5.2.4 PID CONVENCIONAL COM CORRENTE DE REFERÊNCIA MODIFICADA ............................................................................. 120 5.3 CONTROLE INTELIGENTE ................................................................ 124 5.3.1 CONTROLADOR PID NEBULOSO ........................................... 124 5.3.2 CONTROLADOR PID NEURAL................................................. 133 5.4 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES ................ 138 6 RESULTADOS EXPERIMENTAIS