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Título: Otimização do rendimento de um acionamento vetorial do motor síncrono de imã permanente
Autor(es): Bruinsma, Johannes Anne
Orientador: Sousa, Gilberto Costa Drumond
Coorientador: Rey, Joost Peter
Data do documento: 24-Abr-2009
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Este trabalho é baseado em um motor usado no sistema de propulsão elétrica para um barco pequeno de velejar. Aeficiência em um sistema elétrico de propulsão é de considerável importãncia, porque a quantidade de energia disponível é limitada pelo espaço e pelo peso da bateria. Como o barco é usado na maioria das vezes em condições de estado estacionário, com uma carga de 0,3 a 0,6 da potência nominal do motor, o controle do rendimento nesta região contribui com o aumento da distância máxima em uma carga de bateria. Omotor é uma máquina síncrona de imã permanente. Em Inglês, “Permanent Magnet Synchronous Machine ou PMSM”, e este motor já tem um rendimento razoável. Devido à eficiência e outros benefícios, este motor é usado frequentemente nos veículos elétricos que dá uma contribuição ao futuro da tecnologia sustentável. Uma especificação típica devido à construção do rotor, que para este motor não é comum, dá possibilidade para melhorar ligeiramente o rendimento por meio do controlador do motor. Mesmo que o aumento no rendimento seja pequeno, a execução no controlador não tem a necessidade de circuítos adicionais ou de algoritmos sofisticados. Normalmente o controlador do motor é operado em condição de torque máximo por ampère. Conclui-se neste trabalho que, para este motor específico, uma variação pequena no fluxo melhora o rendimento total do motor. Para controladores normais a corrente de magnetização Id é mantida em 0A, quando na essência deste trabalho é mostrado que uma melhoria no rendimento pode ser conseguida quando esta corrente é alterada ou seja Id 6= 0. Portanto, como o barco é usado na maioria das vezes em condições de estado estacionário com uma carga de 0,3 a 0,6 da potência nominal, o rendimento nesta região contribuirá para aumentar à distância máxima da carga da bateria. Para relacionar a eficiência do motor em perspectiva do sistema, uma análise da propulsão completa é descrita nesta dissertação. O modelo de um motor idealizado e de um controlador usado, é adotado da literatura e usado para simulações. Uma análise detalhada das perdas que ocorrem no motor estendem o modelo. Com o modelo estendido, a simulação tem capacidade de prever o rendimento e a adaptação do controlador para estudar a influência no rendimento. Para a condição de funcionamento em regime permanente o rendimento é observado enquanto as parâmetros do controlador são variados. Os resultados da simulação mostram que o rendimento ótimo para este motor depende dos ajustes do controlador e pode ser aperfeiçoado para determinadas condições. Após a simulação para diversas condições, uma série de medidas é feita para validar o trabalho teórico. Mostra-se que, essencialmente, o rendimento ótimo pode ser conseguido para os ajustes do controlador como encontrado durante a simulação. Para a aplicação típica, o método proposto neste trabalho é fácil de executar, um valor de corrente Id calculado baseado no valor do comando será suficiente para aperfeiçoar o rendimento em alguns pontos percentuais. Durante as medidas mostra-se que uma segunda variável pode ser usada para melhorar o rendimento do sistema, este método não é estimado e não é simulado, por estar fora do escopo do trabalho. Esta variável ajusta a tensão do barramento C.C. que para estado estacionário não afeta o controle do motor. Com as conclusões e o método proposto, este trabalho pretende dar uma contribuição para aumentar a utilização desse tipo de motor na propulsão elétrica de barcos.
This work is based on a motor used in the propulsion system for a small sailing boat. Efficiency in an electrical propulsion system is of considerable importance since the amount of available energy is limited by battery space and weight. Since the boat is using most of the time the motor in steady state condition at a load of 0.3 to 0.6 of the nominal power, the efficiency in this region will contribute most to the maximum travel distance on one battery charge. The motor is a Permanent Magnetic Synchronous Machine or in short PMSM and has a reasonable efficiency. Due to efficiency and other benefits, this motor is widely used in electric vehicles giving a contributing to the future of sustainable technology. A typical specification due to the abnormal rotor construction gives possibilities to improve the efficiency slightly by means of the motor controller. Even though the increase in efficiency is small, the implementation in the controller is without the need of additional hardware or sophisticated algorithms. Normally the motor controller is based on the maximum Torque per ampere condition, it is been concluded in this work that for this specific motor a slightly variation to this condition improves the overall efficiency. For the normal condition the magnetizing current Id is kept at 0A while in the essence of this work it is shown that an improvement of efficiency can be achieved when this current is altered or Id 6= 0. To put the motor efficiency in perspective the complete propulsion system is described in this thesis. The model of an idealized motor and the used controller is adopted from well known literature and used for simulation. More detailed analysis of the losses that take place in the motor extend the model making the simulation able to predict the efficiency while adapting the controller. For the steady state operating condition the efficiency is observed while varying the controller parameters, the simulation results show that the optimal efficiency for this motor is depending on the controller settings and can be optimized for certain conditions. After simulating for several conditions a series of measurements is done to validate the theoretical work. It is shown that in essence the optimal efficiency can be achieved for the controller settings as found during simulation. For the typical application the method proposed in this work is easy to implement, a calculated feed forward to the current Id based on the throttle command value will be sufficient to optimize the efficiency with a few percent. During the measurements it is been shown that a second variable can be used to even further optimize the efficiency of the system, this method is not estimated or simulated since it is outside the scope of the work. This variable sets the DC voltage of the bridge and for steady state it does not affect the control of the motor. With the conclusions and the proposed method this work is intend to give a contribution for usability for this kind of motor in electrical propulsion of boats.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/4091
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