Publicação: Simulação e ensaio de um motor de indução para obtenção de suas grandezas de modo comum e correntes de rolamento
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
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Orientador
Coorientador
Alves, Marco Túlio Evô
Resumo
Motores de indução acionados por inversores com modulação por largura de
pulso (PWM) apresentam excelente desempenho, mas introduzem desafios
significativos relacionados a fenômenos de alta frequência. A comutação rápida dos
dispositivos semicondutores gera tensões de modo comum e sobretensões
transitórias que excitam capacitâncias parasitas intrínsecas e induzem correntes de
alta frequência, impactando negativamente a vida útil dos componentes, em especial
os mancais, através das correntes de descarga elétrica (EDMs). Este trabalho se
dedica à modelagem teórica, simulação numérica e validação experimental desses
fenômenos, visando à construção de um modelo de circuito equivalente robusto e
preciso para a predição e mitigação desses problemas.
A metodologia desenvolvida integra modelagem elétrica de elementos
concentrados com simulações detalhadas por meio do Método dos Elementos Finitos
(FEM). Foram caracterizadas as capacitâncias parasitas (enrolamento-carcaça,
enrolamento-rotor e rotor-carcaça), a impedância do enrolamento do estator e do
núcleo, e a indutância da cabeça de bobina, considerando explicitamente a
dependência desses parâmetros com a frequência e os efeitos pelicular e de
proximidade. Para a análise das correntes, empregou-se a técnica de Vector Fitting
para simulações multifrequenciais das correntes circulantes, e uma modelagem
dinâmica para as correntes de descarga eletrolítica em rolamentos. A principal
contribuição da dissertação reside na validação rigorosa do modelo proposto por meio
de medições experimentais de alta resolução, que comprovou a capacidade preditiva
da abordagem em representar o comportamento eletromagnético da máquina e os
caminhos das correntes de alta frequência.
Os resultados obtidos reforçam a necessidade de considerar esses efeitos
desde as fases de projeto e especificação de motores acionados por inversores. Este
estudo aprofunda o entendimento dos mecanismos de falha prematura em mancais e
oferece uma base técnica sólida para o desenvolvimento de estratégias eficazes de
mitigação, combinando precisão teórica com validação prática.
Abstract
Induction motors driven by Pulse Width Modulation (PWM) inverters offer
excellent performance but introduce significant challenges related to high-frequency
phenomena. The rapid switching of semiconductor devices generates common-mode
voltages and transient over voltages that excite intrinsic parasitic capacitances and
induce high-frequency currents, negatively impacting component lifespan, especially
bearings, through Electric Discharge Machining (EDM) currents. This work is dedicated
to theoretical modeling, numerical simulation, and experimental validation of these
phenomena, aiming to build a robust and precise equivalent circuit model for predicting
and mitigating these issues.
The developed methodology integrates lumped-element electrical modeling
with detailed Finite Element Method (FEM) simulations. Parasitic capacitances
(winding-to-frame, winding-to-rotor, and rotor-to-frame), stator winding and core
impedance, and coil end inductance were characterized, explicitly considering the
frequency dependence of these parameters, as well as skin and proximity effects. For
current analysis, the Vector Fitting technique was employed for multi-frequency
simulations of circulating currents, and a dynamic model was used for bearing EDM
currents. The dissertation's main contribution lies in the rigorous validation of the
proposed model through high-resolution experimental measurements, which
confirmed the predictive capability of the approach in representing the machine's
electromagnetic behavior and high-frequency current paths.
The results obtained emphasize the necessity of considering these effects from
the design and specification phases of inverter-fed motors. This study deepens the
understanding of premature bearing failure mechanisms and provides a solid technical
foundation for developing effective mitigation strategies, combining theoretical
accuracy with practical validation.
Palavras-chave
Engenharia Elétrica, Motores de Indução, Inversores PWM, Correntes de Alta Frequência, Correntes de Modo Comum, Correntes de Rolamento, Modelo de Circuito Equivalente, Análise por Elementos Finitos, Validação Experimental, Induction Motors, PWM Inverters, High-Frequency Currents, Common-Mode Currents, Bearing Currents, Equivalent Circuit Model, Finite Element Analysis, Experimental Validation
Citação
CARMO, Vinícius Pereira do. Simulação e ensaio de um motor de indução para obtenção de suas grandezas de modo comum e correntes de rolamento. 2025. 163 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 20205. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.505