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sábado, 6 de abril de 2013

Novas (e Antigas) Escolhas sobre Tipos Máquinas Elétricas (Motores) Multifásicas para VEs

Dedico esta postagem ao meu amigo 
Prof. Dorival Bernal, da Escola SENAI de Vila Leopoldina,
companheiro de trabalho por quase 20 anos,
sem a paciente influência do qual,
talvez eu odiasse saber sobre
enrolamentos de máquinas elétricas.  

Ao se discutir sobre o motor elétrico para um VE ou para um veículo híbrido, as duas principais vertentes de escolha recaem sobre o Motor CA de Indução e sobre o Motor CA de Imã Permanente. Ambos como sendo trifásicos e ambos tendo vantagens e inconvenientes discutíveis. Ambos os tipos, também, são aplicáveis a fatores de forma que sugiram construção de motores com fluxo axial.

Todavia, recentemente, o motor de indução trifásico passou a apresentar uma expansão para compor um motor indução "Multi fase", que opera de uma modo diferente do motor de indução trifásico padrão convencional. Trata-se de invento desenvolvido como um sistema melhorado a partir do motor de indução CA padrão.

A pesquisa e desenvolvimento é atribuída a empresa Chorus Motors PLC, que é uma das maiores subsidiária, com enfoque em pesquisa e desenvolvimento automotivo, baseada em Gibraltar da empresa Borealis Exploration Ltd., uma empresa redomiciliada do Canadá para Gibraltar e em 1998, que se ​​considera uma empresa virtual, e ainda está com capital aberto ao público.

Na verdade, a Chorus Motors vem trabalhando sua pesquisa e desenvolvimento em duas frentes:

A primeira, e aquelas que eles tem feito ser conhecida como "Star", que eles alegam produzir motores que podem atingir densidades de torque muito mais elevadas do que um motor de indução trifásico tradicional, mas sem considerável penalização de custo e, por isso, ao contrário da maioria "novas tecnologias de motor," a tecnologia Chorus representa um maior avanço.

Os motores elétricos são considerados uma tecnologia madura, que já foi muito pesquisada por décadas e apenas pequenas melhorias incrementais são esperadas. Esforços em resolver os problemas colocados pelas harmônicas geradas por motores e eletrônicos foram feitas ao longo dos anos e durante esse tempo as carreiras de pessoas muito talentosas vieram e se foram. A conclusão aceita tornou-se, então: "Se não foi feito até agora, ele provavelmente não pode ser feito."

A Borealis revisitou a tecnologia elétrica do motor e desenvolveu o motor Chorus para cooptar os harmônicos e usá-los para ajudar no acionamento o motor. Esta descoberta contrasta com a tecnologia do motor convencional existente que visa eliminar, reduzir, ou pelo menos anular harmônicos. Estas abordagens anteriores, ao mesmo tempo válido, tendem a ser mais caros e que causam o motor convencional para a saída de energia muito menor do que é possível com um motor de Chorus.

Motores de indução CA de Alto Rendimento:


Uma melhoria incremental, que podemos considerar até bastante importante conseguida nas últimas duas décadas pelos fabricantes de motores, foi a obtenção de motores denominados de "alto rendimento" para aplicações industriais. Motores de alto rendimento são aqueles projetados para, fornecendo a mesma potência útil na ponta do eixo que outros tipos de motores mas, consumindo menos energia elétrica da rede alimentadora de C.A., ou seja, tendo maior rendimento.

Desde os anos '90 os motores denominados de alto rendimento apresentam as seguintes características:

Quanto aos Núcleos Ferromagnéticos:

• Chapas metálicas de melhor qualidade (aço silício): as chapas que compõem o rotor e o estator são de melhor qualidade, resultando em perdas por histerese e por correntes induzidas menores que as chapas utilizadas nos motores normais. Alterações nas chapas também podem incluir redução da espessura e tratamento térmico para redução de perdas.

Quanto aos Enrolamentos do Estator:

• Maior volume de cobre, o que reduz a temperatura de operação: os enrolamentos de cobre do estator possuem um volume maior de material.

• Enrolamentos especiais, que produzem menos perdas no estator: fazendo com que a resistência elétrica dos mesmo seja menor, desta forma reduzindo as perdas por efeito Joule. Alguns fabricantes também utilizam materiais com menor resistividade.

• Altos fatores de enchimento das ranhuras, que provêm melhor dissipação do calor gerado: Projetos de ranhuras do motor são otimizados para incrementar o rendimento.

Quanto aos Rotores:

• Rotores tratados termicamente, reduzindo perdas no rotor;
• Anéis de curto-circuito de alumínio do rotor dimensionados para reduzir as perdas por efeito Joule:

Outros:

• Ventilador: são otimizados de forma a ter uma maior eficiência, reduzindo as perdas por ventilação. Uma vez que o motor possui menos perdas, a necessidade de ventilação também diminuem, contribuindo para a redução da potência necessária para o ventilador.

• Rolamentos: são empregados rolamentos especiais com menor coeficiente de atrito que os normalmente empregados. Desta forma, a vida útil dos rolamentos é em geral maior que os rolamentos comuns.

• Dimensões Principais: o diâmetro do rotor, as ranhuras, o entreferro e o comprimento axial do motor são especialmente dimensionados para proporcionar uma elevação do rendimento do motor.

Muito embora todas estas melhorias devessem ser tratadas como "melhorias contínuas", com pequenos incrementos de melhorias sendo agregados aos produtos que chegam ao mercado de tempos em tempos, na medida em que a competência competitiva dos fabricantes permitem, a tecnocracia brasileira não fez de rogada e, mais uma vez interveio, estabelecendo ditames paramétricos sobre aquilo que deve ser considerado um motor de alto rendimento, sem se preocupar em estabelecer prazos de validade, que apontassem para a natural continuidade das melhorias.

Não fosse o compromisso que os fabricantes nacionais de motores obviamente têm com o mercado internacional aonde, também, vendem os seus produtos, isso poderia, inclusive, ter colaborado com a estagnação do processo de pesquisa e desenvolvimento progressivo desse produto, de modo que, hoje, os ditames federais, se encontram, na prática, obsoletos e ultrapassados.

Os motores vendidos no Brasil como sendo de "alto rendimento", já são os considerados motores padrão para o mercado internacional e os fabricantes brasileiros precisaram lançar no mercado nacional, produtos tidos como de "super alto rendimento" e "ultra alto rendimentos" em consonância com o padrão de alto rendimento do mercado internacional.

Veja, como exemplo, o que ocorre com a linha de motores de aplicações industriais da WEG, o maior fabricante nacional de máquinas elétricas e um dos mais importantes do mundo. Eles mantêm no mercado, simultaneamente, três versões de modelos de motores que eles tratam comercialmente como sendo de alto rendimento:
  • A Versão Plus - que atende os níveis de rendimento exigidos pela "Nova" Lei de Eficiência Energética;
  • A Versão Premium - Maior economia de energia elétrica por possuir níveis de rendimento superiores aos exigidos pela Nova Lei de Eficiência Energética;
  • A Versão Super Premium - Rendimentos IE4, ainda mais superiores ao anterior, conforme norma Europeia IEC 60034-31
Em 2002 o Governo Brasileiro estabeleceu a Lei 10.295 a qual determinava os níveis mínimos de eficiência energética para máquinas e equipamentos. Para os motores elétricos tinham-se duas opções: padrão e alto rendimento. Todavia, pelo próprio comportamento do mercado, os motores já vendidos como sendo de alto rendimento por quase dez anos vinham se tornando o padrão.

Somente em 2009 o Governo aprovou a portaria nº 553 que por sua vez estabeleceu como padrão, ou seja, nível mínimo de rendimento, os níveis similares aos denominados anteriormente como alto rendimento. A partir daí fabricantes de máquinas e consumidores finais passaram a "dever" utilizar produtos que atendam aos novos níveis de rendimento.

Cada vez mais a energia elétrica vem se tornando não apenas um insumo de maior custo, mas maior preocupação quanto às questões de impactos ambientais. Estima-se que atualmente, se considerarmos aplicações industriais e residenciais, incluindo eletrodomésticos, mais de 40% do consumo global de energia elétrica estejam relacionados com o uso de motores elétricos.

Assim, a utilização dos motores de mais alto rendimento, mesmo com um custo superior aos motores padrões, torna-se plenamente justificável, pois reduz custos do consumo de energia elétrica, além de proporcionar outros ganhos à sociedade, resultante de uma utilização mais racional dos recursos naturais.

Talvez, não fosse os ditames normativos defasados, os preços dos motores praticados no mercado tivessem já caído ainda mais e, poderíamos estar desfrutando no Brasil, verdadeiramente,  de motores de alto rendimento, a um custo efetivo menor.

Portanto. na especificação de motores para novos empreendimentos deve-se sempre optar por motores de alto rendimento e, isso é ainda mais verdadeiro para o mercado de VEs, no qual, tão importante quanto fazer o correto dimensionamento da máquina elétrica para um sistema de tração, é escolher necessariamente um motor elétrico do mais alto rendimento possível.

O Motor Chorus Star:


Apesar de apresentar uma melhoria bastante significante com relação ao desempenho de máquinas CA trifásicas homólogas, um motor Star, da Chorus Motors  na verdade, nada mais é do que um motor de indução trifásico de alto rendimento que agregou mais alguma melhoria: ele utiliza enrolamentos de fase concentrados, de alta ordem que permite o uso benéfico de harmônicos (temporal, espacial e sobrecarga).

Por conseguinte, esta máquina pode atingir, além de  eficiência e confiabilidade, densidades de torque muito mais elevadas, sem significante aumento de custo. O principal aproveitamento extraordinário é sobre a componente harmônica de 5ª ordem, conforme representado nos gráficos de comparação a seguir:

Esta animação, fornecida para fins de demonstração, e não necessariamente à escala, mostra três conjuntos rotativos, que são representações gráficas das ordens de correntes do enrolamento do estator de um motor trifásico convencional

A animação do meio representa a fundamental, isto é, o que uma onda senoidal pura parece em um motor. Ela atual como um campo que se forma na circunferência do estator e que é permanentemente girante, apresentando dois pólos: o pólo norte e o sul girando em torno do se centro. Este campo gira a uma velocidade constante e não mostra qualquer conteúdo harmônico.

A animação da direita representa a 5ª harmônica. Note-se que ela gira em sentido inverso, e a 5 vezes a velocidade da fundamental, de modo que ela opera como um torque de frenagem.

A animação da esquerda mostra o que acontece no motor quando a fundamental e a quinta harmônica estão ambos fluindo, simultaneamente. O torque de frenagem aparece como uma variação na magnitude da velocidade fundamental. Todos os elementos do conjunto não se movem em conjunto. Isso prejudica muito a eficiência, e aumenta o aquecimento.

Os conjuntos nesta segunda animação são relativos ao motor Chorus, mostrando o efeito da 5ª harmônica.

O conjunto do meio, mostrando a fundamental, não é alterado a com respeito ao do motor de indução trifásico convencional.

No conjunto direito, por outro lado, a  alteração é devida  por causa das características únicas do Chorus. A 5ª harmônica já não roda na direção oposta à da fundamental. Em vez disso, move-se na mesma direção, e com a mesma velocidade.

Observe, também, que há 10 "solavancos" no anel. Cada par de saliências representa um par de pólos. Então, a quinta harmônico aqui, está a atuar como um campo de 10 pólos, que roda na mesma direção e à mesma velocidade que a fundamental.

Quanto ao conjunto de esquerda, ela mostra a combinação da 5ª harmônica e fundamental em uma máquina de Chorus. A forma é diferente do que a fundamental pura, mas todos os elementos do conjunto se movem juntos. A 5ª harmônica, que tinha sido anteriormente um torque de frenagem, torna-se um reforço ao torque de tração. Isto aumenta a saída do motor, enquanto que aumenta a eficiência.

Uso Melhorado do Cobre (Obtendo Enrolamentos de Fase Concentrados):


Duas técnicas de design são usados ​​para reduzir os efeitos das harmônicas espaciais na operação do motor trifásico convencional. Estes são a utilização de enrolamentos de bobinas passo curto (chorded, com comprimento media de volta menor do que as bobinas de passo completo) e a utilização de enrolamentos distribuídos.

Enrolamentos de passo curto são enrolamentos cujas distância entre os lados de uma bobina é reduzido, não abrangendo um total de 180 graus elétricos. O resultado líquido é que as tensões induzidas em cada meio enrolamento não estão em fase umas com as outras, e a tensão total induzida no enrolamento é reduzida.

Aplicar enrolamentos de passo curto, implica em espiras de laço encurtado que, quando instaladas nas ranhuras do estator resultará numa atenuação da indução mútua entre as bobinas de diferentes fases do estator, reduzindo o torque produzido por harmônicas.

Para entender melhor o encurtamento precisamos introduzir dois conceitos:


Passo de Polo: Um campo de pólo é definido como a distância entre periférico pontos idênticos em dois pólos adjacentes. Passo de Pólo passo em uma máquina trifásica de dois polos é igual a 180º.

Período do Enrolamento ou Passo do Enrolamento. A distância entre os dois lados da bobina e uma bobina é chamado de período de bobina ou bobina de passo. Ele é geralmente medida em termos de dentes, ranhuras ou graus elétricos. No desenho de um motor trifásico convencional, como mostra a fig. anterior, o Passo de Polo e o Passo de Enrolamento coincidem, ambos para 180º.

Quando aplicamos enrolamentos de passo curto, o passo de enrolamento se torna menor do que o passo de polo. Em geral faze-se com que o passo do enrolamento seja 5/6 do passo de polo.

Fazer apenas isso, acarreta com que, no funcionamento do motor, a densidade do fluxo aumente, a menos que o número de espiras do enrolamento seja também aumentado. A vantagem de fazer o encurtamento é que a diferença de fase entre os dois lados do enrolamento é age de modo diferente na atenuação (fator de encurtamento) para da fundamental e para diferentes harmônicas, com acentuada atenuação das harmônicas.

O fator de encurtamento para um enrolamento é dada por:

K= sin (ρ.θ) / 2        onde:
  • θ = 180° para a fundamental (θ = 36° para a quinta harmônica);
  • ρ é o intervalo elétrico do enrolamento. 
Um enrolamento de intervalo de 5/6 tem um fator de encurtamento da fundamental 0,966. No entanto, os mesmos enrolamentos estendem por mais de dois ciclos elétricos da quinta harmônica, e o fator de encurtamento da quinta harmônica é 0,259. O resultado líquido de enrolamento de intervalo de 5/6 é que a quinta harmônica espacial é reduzida substancialmente.

Enrolamentos distribuídos são os enrolamentos em que a mesma fase elétrico é aplicada a vários enrolamentos elétrico em diferentes ângulos.

Novamente, o resultado é a redução da tensão total induzida nos enrolamentos. Para o funcionamento do motor, a densidade de fluxo irá aumentar novamente a menos que o número de voltas é aumentada. Novamente, o benefício é que o fator de distribuição é menor para as harmônicas do que para a fundamental.

O fator de de distribuição de um conjunto de enrolamentos ligados em série é dada por:

Kb sin (n ./ 2) / n.sin (/ 2)    onde:
  • n é o número de ranhuras por grupo de fase de polo, e;
  • a é o ângulo elétrico entre as ranhuras.
Em uma máquina convencional trifásica, um grupo de fase de polo irá abranger cerca de um terço de um polo e tem um fator de distribuição de enrolamento fundamental de 0,955. Para o mesmo enrolamento, o fator de distribuição do enrolamento para a quinta harmônica será 0,191. Mais uma vez, os harmônicos são seletivamente reduzido em intensidade como em comparação com a fundamental.

No entanto, vale lembrar que, quando utilizamos estas técnicas de enrolamentos, a fundamental também é afetada, e para combater isso, o número total de voltas do enrolamento tem de ser aumentado para manter a densidade de fluxo adequada.

A combinação do fator de encurtamento e do fator de distribuição numa máquina convencional trifásica de 5/6 de período, é que o número de voltas é aumentado no total em cerca de 8%.

Desprezando as mudanças cobre nas extremidade, isto significa que o comprimento do fio de cobre utilizado é aumentado no total em cerca de 8% (no entanto, o cobre nas extremidade é menor e, dependendo do comprimento do motor, este pode eliminar qualquer aumento de comprimento).

Além disso, porque há mais voltas, o tamanho do fio que pode ser utilizada é reduzida. O resultado líquido é um aumento de 10% a 17% da resistência elétrica do enrolamento mais do que seria de se esperar, foram concentradas enrolamentos distância total utilizado.

Alguns desenhos de motores fazem uso de enrolamentos dois terços de período; nestas máquinas a resistência de enrolamento é aumentada em mais de 47%.

Além disso, enquanto que a distribuição de enrolamento e encurtamento têm o efeito de reduzir harmônicas espaciais, podem aumentar a sensibilidade de harmônicas temporais.

Assim, a pena para a qualidade de torque maior em motores convencionais é uma menor eficiência.

O motor Chorus Star faz uso de enrolamento concentrado mas, com enrolamentos de distância total, com encurtamento e fatores de distribuição unitários.

Técnica de enrolamento tal é possível porque a natureza polifásica do motor é que causa a eliminação harmônica desnecessário. Como resultado, são necessários menos voltas para uma dada tensão, e a resistência dos enrolamentos é reduzida. Efetivamente, aumenta-se a condutividade aparente do fio de cobre do enrolamento.

Me parece que sim mas, como eles não falam diretamente, eu não sei dizer ao certo, se a Chorus-Borealis adota Enrolamento Multicamadas, também, mas, decerto, está é uma outra técnica de enrolamento para reduzir as imperfeições do campo girante introduzidas pelos harmônicos, isto é, os campos girantes adicionais em velocidade e em sentidos de giros diferente do campo principal e que, portanto, causam componentes de torque negativo. Enrolamentos em multicamadas podem aumentar a eficiência de remoção desses harmônicos indesejados.

Enrolamento de camada dupla:
  • Cada ranhura contém um número par (pode ser 2, 4, 6 etc) de lados de bobina em duas camadas;
  • Enrolamento de Camada Dupla é mais comum para máquinas acima de cerca de 5kW.
As vantagens da camada dupla de enrolamento sobre o enrolamento de camada simples são como se segue:
  • Mais fácil de fabricar e custo inferior dos enrolamento;
  • Enrolamento com ranhuras fracionárias podem ser usados;
  • Encurtamento de enrolamento é possível;
  • Reactância de fuga inferior, portanto, o desempenho, melhor da máquina;
  • Forma de onda melhor de EMF (campo eletromagnético) no caso de geradores.
No entanto, todo enfoque mais recente declarado para os motores da Chorus-Borealis tem sido sobre a natureza polifásica do sistema motor-acionamento.

O resultado líquido do enrolamento da Chorus-Borealis e da técnica de acionamento empregada em conjunto, é um motor com uma maior eficiência em condições normais, com maior capacidade de sobrecarga, o qual faz uso de conversores que podem ser muito mais pequena e mais simples (e mais barata) do que as convencionais inversores trifásicos.

A Crise de "Terras Raras":


Do Capitólio e do Pentágono até aos laboratórios de alta tecnologia e montadoras, nunca antes  nomes tão obscuros têm sido um tema tão quente de discussão. Nomes como disprósio, neodímio, gadolínio, e praseodímio.

Eles são extraídos da crosta terrestre, e são parte de um grupo exclusivo de elementos químicos vitais para fazer muitos produtos de alta e baixa tecnologia, desde de iPhones, carros elétricos e híbridos e motores de jatos de combate, até batões de beisebol de alumínio. Tais elementos também são consideradas essenciais para suportar à nova geração de tecnologias de energia verde.


Os EUA importa quase todos esses elementos de terras raras da China, que produz atualmente cerca de 97% da oferta mundial. Se a China reduzir as exportações para alavancagem geopolítica, ou reduzir e taxar as exportações em antecipação a crescente demanda interna, os preços para esses elementos, e dos produtos que dependem dele, podem saltar.

A maioria dos atuais sistemas de energia eólica e de veículos elétricos e híbridos utilizam motores de ímãs permanentes, que requerem quantidades significativas de metais de terras raras neodímio e disprósio.

O embargo chinês às exportações de terras raras podem ter os mais severos impactos nos dois campos de alto crescimento, turbinas energia eólica e veículos elétricos e híbrido. Os riscos tornaram-se por demais evidente em 2010, quando Pequim subitamente cortou as exportações de  terras raras para o Japão durante um surto de disputa entre os dois países de longa data sobre as fronteiras marítimas.


Aquele embargo de fato durou pouco tempo, mas a China ainda mantém limites de produção e quotas de exportação em terras raras.

Atualmente, as questões envolvendo a política de desenvolvimento de armamentos nucleares da Coreia do Norte, e a contrariedades de boa parte do mundo quanto a isso, passam a representar uma real ameaça a estabilidade comercial internacional da região da Ásia e, com isso, mais uma vez a questão dos elementos de terras raras se tornam, ainda mais complicadas.

O Motor Chorus Star é simples, mas, difere radicalmente das práticas de designe dos motores convencionais. No entanto, ele pode ser analisado sob muitos dos mesmos instrumentos matemáticos para projeto do motor desenvolvidos durante o século passado. A compreensão do teorema da amostragem, por exemplo, usado no processamento de sinal digital, pode ajudar na compreensão de como esse motor faz uso de harmônicos.

A alteração aplicada ao desenho do motor convencional é um aumento substancial do número de fases do motor utilizado, para o ponto onde um grupo de fase por polo é composto por apenas uma única ranhura no enrolamento do estator. Em geral, isto significa que o motor funciona 12 fases ou mais. Com o ferro disponível no estator, 24 ou mais fases podem ser incorporadas sem dificuldade. Com o ferro personalizado, não existe um limite superior na contagem do número de fases.

A melhoria mais prática com relação ao design convencional pode ser analisado em termos de utilização de cobre e fatores harmônicos. Fatores harmônicos podem ser divididos em harmônicos temporais no fornecimento de energia atual, e harmônicos espaciais no fluxo de entreferro. As comparações serão feitas com relação à máquina elétrica trifásica convencional.

Harmônicos Temporais:


A corrente que flui para o motor pode ser analisada por séries de Fourier. A frequência fundamental da tensão aplicada gera o campo magnético rotativo principal, e estabelece a velocidade síncrona, ou seja, a velocidade do campo girante do motor. Assim:

n  = 120 . f / p

onde n => velocidade rotacional (em rpm);
       f => frequência de aplicação (em Hz);
       p => número de pólos desenvolvidos.

Essa expressão é válida e verdadeira tanto para motores trifásicos convencionais, bem como para o motor Chorus. Todavia, não apenas a fundamental gera campo girante mas, cada uma das harmônicas, também gera um campo girante, bem como, para os quais a mesma fórmula de velocidade síncrona se aplica.

Assim, quando existe uma harmônica na forma de onda de acionamento, ela irá produzir um campo rotativo que roda a uma velocidade determinada pela frequência dessa harmônica e o número de pólos produzidos pela presente harmônica.

Examinando a Quinta Harmônica:

Em uma máquina trifásica, o ângulo elétrico entre as fases fundamentais é de 120°.

No entanto, porque ambos os lados de um dado enrolamento estão representados no estator, o ângulo elétrico de fase entre os pólos adjacente (ou grupos de fase) será de 60°.

Para a quinta harmônica na forma de onda do acionamento, o ângulo elétrico entre as fases é cinco vezes isso, ou seja 300°.

No entanto, como sinusoides são funções periódicas, 300° é o mesmo que -60°; assim, a relação de fase entre as fases adjacentes para a quinta harmônica é precisamente o oposto do que fundamental.

O resultado líquido é que, em uma máquina trifásica, a quinta harmônica temporal gera um campo rotativo com o mesmo número de pólos, do que o campo de girante produzido pela fundamental, mas, com a sequência de fase negativa.

Além disso, a quinta harmônica tem cinco vezes a frequência da fundamental, assim, o campo girante produzido pela quinta harmônica gira na direção oposta e, cinco vezes a velocidade da fundamental.

Agora pense em aumentar o número de fases:

Se, em vez de utilizar as três fases convencionais, cinco fases forem usadas, então, o ângulo elétrico entre as fases fundamentais torna-se 72° (360/5) e o ângulo de fase entre os grupos polares torna-se 36°.

Para a quinta harmônica quinto, o ângulo de fase está torna-se 360° (5x72°), com o ângulo elétrico entre os grupos polares adjacentes de fase é de 180° (5x36°).

Ao longo de um único ciclo de 360° da corrente fundamental que flui no estator, a quinta harmônica irá executar cinco ciclos.

A corrente de quinta harmônica fluindo na enrolamento da fase de número cinco produz um campo girante de dez polos, ao invés de um campo girante de dois pólos.

O ponto importante sobre estes campo é que a sua velocidade síncrona será a mesma que a da fundamental.

Se mais do que cinco fases são usadas, então, isto torna-se mais clara. Por exemplo, tente avaliar uma máquina 15 fases:

O ângulo de fase é de 24° (360/15), entre grupos adjacentes de polo de fase existe um ângulo elétrico de 12°.

Para a quinta harmônica, o ângulo elétrico entre grupos adjacentes de polos de fase torna-se de 60°, exatamente como se poderia ver em uma máquina trifásica de 10 pólos.

Na verdade, um enrolamento de 15 fases de dois pólos, alimentado apenas com a corrente de quinta harmônica, teria exatamente a mesma corrente de ranhura que se apresentaria um enrolamento trifásico de 10 pólos.

O resultado líquido é que, em uma máquina de 15 fases, o campo girante desenvolvido pela quinta harmônica temporal tem cinco vezes o número de pólos do campo girante que é desenvolvido pela fundamental.

No entanto, por causa da maior frequência da quinta harmônica, este campo girante gira à mesma velocidade síncrona como o campo fundamental.

Raciocínio semelhante se aplica a todos os harmônicos. Até que a ordem harmônica é tal que o ângulo de fase harmônica é superior a 360°, o campo girante desenvolvido pela dada harmônica irá girar em sincronismo com o campo fundamental.

Analogia pode ser feita com o teorema de amostragem, o qual é utilizado em áudio digital para determinar a frequência mínima de amostragem que pode ser utilizada para gravar um sinal.

O padrão da corrente de rotação do estator é espacialmente amostrado, com cada ranhura correspondente a um ponto de amostragem.

Todos os componentes deste padrão da corrente que têm uma freqüência maior do que a taxa de amostragem (número de fases) serão abreviados, identificados erroneamente.

Assim, em uma máquina de trifásica, o campo da quinta harmônica é visto como um campo de dez  pólos que se sobrepõem a um campo de dois pólos, tendo, tanto a taxa de rotação e quanto sentido de rotação diferente, enquanto que em uma máquina de cinco ou mais fases o campo de dez polos da quinta harmônica já se encontra corretamente cooptado.

É ai que a Chorus entra com a sua segunda vertente de pesquisa e desenvolvimento, onde ela alega ter uma solução pronta que não usa terras raras em nada, e que é uma tecnologia mais eficaz e de menor custo também: O sistema Chorus Meshcon.

O sistema Chorus Meshcon emprega uma máquina elétrica é um motor de indução CA polifásico que coopta harmônicos eletromagnéticos para oferecer melhorias consideráveis em torque, tamanho, confiabilidade e peso. O motor Chorus Meshcon multifásico pode produzir cinco vezes o torque de arranque de um motor trifásico convencional de mesmo tamanho, e mais do que um motor de imã permanente comparável. E ele não usa terras raras ou nem outros materiais exóticos.

O termo "Meshcon" é uma acrônimo da abreviação de duas palavras "Mesh", que significa Malha e "Connection", que significa Conexão, ou seja, querendo significar "Conexão em Malha", dos múltiplos enrolamentos de fase que compõem um motor polifásico.


Sistemas de Acionamento de Máquinas Elétricas Chorus Meshcon:


Os motores elétricos de indução CA trifásicos convencionais são limitados às suas classificações de corrente e de tensão, de modo que a eletrônica dos inversores não se pode extrair uma plena potência desse motor ao longo de toda gama de velocidade:


Para se extrair um maior torque de partida dos motores de indução CA trifásicos convencionais a partir d acionamento feito com inversores, requer que haja um sobredimensionamento deles, o que torna a eletrônica de potencia  necessária, mais cara.


O motor Chorus Meshcon permite que a eletrônica entregue a plena corrente e tensão ao longo de toda extensão da gama de velocidade:


Isto significa que um sistema com base em Meshcon pode produzir um torque especial com grande economia de custos, porque o inversor não tem de ser sobredimensionado.


O Sistemas Meshcon (da Chorus Motors) utiliza, então, estes motores polifásicos, com enrolamentos conectando os terminais do inversor um para o outro, e não para o condutor de terra, ou seja, o termo "Mesh Connection" (ligação em Malha), no contexto desse sistema polifásico, é uma disposição na qual a extremidade de cada enrolamento de fase está ligado ao início do próximo, formando, sempre, um anel, sendo que cada junção de dois enrolamentos é ligada a um terminal de conexão do inversor.

Assim, fica bem claro que se uma máquina for apenas trifásica, a ligação delta de seus enrolamentos é uma ligação em malha em si mesma (Δ fechado), porém, a ligação em estrela não o é (ligação em Y só formará malhas após passarmos a considerar, também, as fontes de alimentação). Em uma ligação em malha dos enrolamentos, cada extremidade de junção do "anel" (junção de dois enrolamentos) da malha é conectada a uma terminal de fase da fonte de energia elétrica de acionamento (o Inversor Multifásico).

Também deve ficar claro que para possibilitar a comutação entre os diversos tipos de conexão, pela variação do intervalo (valor de Span), mantendo-se a premissa da formação do anel de malha, a quantidade total de enrolamentos de fase deve ser sempre ímpar.

Diferentes conexões se comportam como se fossem diferentes relações de engrenagens. As diferentes formas de conexões são obtidas comutando-se os intervalos (diferentes valores de Span) reconfigurando o anel da malha (Mesh Connection, e dai vem o termo Meshcon) e, conseguintemente mudando a relação da corrente do conversor para o enrolamento atual, mudando assim, consequentemente, a curva de Tensão em função da Velocidade (V/Hz) do motor.

Abaixo temos a representação disso para um motor de 17 Fases, em A com intervalo 6 (Span = 6) e em B com intervalo 1 (Span = 1) e seus respectivos gráficos da relação V/Hz.



Todas as harmônicas temporais até o número de fases será cooptada tendo a mesma velocidade síncrona como a fundamental. O sistema Meshcon comuta entre engrenagens eletrônicas por operar o inversor nas harmônicas da frequência de acionamento.


Assim, como a sua unidade Meshcon Chorus pode alternar facilmente entre uma condição de alta velocidade / baixo torque e outra condição de baixa velocidade / alto torque, enquanto oferece torque de pico de até 10 vezes os motores de tamanho comparável. Isso parece ser algo ideal, especialmente porque eles não requerem terras raras e pode ser refrigerado a ar.

Harmônicos espaciais:


A estrutura do campo magnético desenvolvido por uma dada fase de um motor tem uma estrutura espacial que pode ser novamente analisada por séries de Fourier em um conjunto de funções de onda sinusoidal. Cada um dos enrolamentos do motor ocupa um ângulo físico, o que determina a variação mínima angular do campo magnético desenvolvido.

Mais uma vez a análise da harmônica quinta ordem:

Na máquina trifásica, a diferença angular entre os enrolamentos em termos do campo girante fundamental é de 60°. Para a harmônica quinta, esta diferença angular é de 300°, de novo igual a -60°. Neste caso, a quinta harmônica espacial é gerada pela tensão fundamental aplicada, e tem a mesma frequência.

O campo rotativo associado com a quinta harmônica espacial assim tem uma velocidade síncrona que 1/5 da fundamental. Essas harmônicas espaciais podem provocar quedas da curva de torque / velocidade a baixas velocidades, e pode levar a irregularidades, solavancos e pulsações de torque, como o de retenção de endentamento (cogging torque, mais específicos nos casos de máquinas com rotores de imãs permanentes), arrastamentos ou outras irregularidades de torque.

Na medida que aumentamos o número de fases, o ângulo elétrico entre as fases diminui. Em uma máquina de cinco fases, a diferença angular entre os enrolamentos é de 36°, e a quinta harmônica já não é identificada erroneamente pois, ela, agora roda em sincronismo com o campo rotativo fundamental, simplesmente alterando a forma do campo.

Argumentos similares se aplicam aos harmônicos de ordem superior com contagens de fase maiores. Novamente, harmônicas espaciais até o número de fases irá gerar campos rotativos da mesma velocidade síncrona como o campo fundamental.

Benefícios do Sincronismo Harmônicas:


Há duas situações em que o sincronismo harmônico é de especial valor. A primeira é quando há conteúdo harmônico na tensão de acionamento. A segunda, e uma circunstância muito mais importante: é quando o motor é accionado a elevados níveis de saturação.

A relação entre a corrente aplicada a um enrolamento e do campo magnético desenvolvido no motor não é linear, sendo sujeito tanto a histerese, quanto a curvatura substancial.

O resultado líquido é que, apesar de uma corrente sinusoidal perfeita pode ser aplicada a um enrolamento, um campo magnético é gerado o qual tem um conteúdo harmônico.

O nível de teor de harmônica depende da saturação do ferro; motores convencionais de alta eficiência precisam manter níveis de saturação baixos, a fim de minimizar a geração de harmônicas espaciais.

No entanto, níveis de saturação mais elevados, porém, resultam em capacidade de converter energia aumentada, para uma dada máquina elétrica de um determinado tamanho, e são especialmente benéfico na partida, e em sobrecargas intermitentes, tanto para motores e quanto para geradores.

A utilização eficaz das harmônicas espaciais significa que níveis mais elevados de saturação podem ser utilizados. Enquanto as perdas no ferro e as perdas de corrente parasita serão aumentadas em níveis de saturação elevada, as perdas associadas com harmônicas fluxos atuais e conflitantes campos rotativas será bastante reduzidas.

Além disso, as ondas quadradas são ricas em harmônicos de ordem ímpar. Acionamentos de motores trifásicos que utilizam inversores de onda quadrada estão sujeitos a problemas de ruído e de torque.

No entanto, os inversores de onda quadrada são muito mais simples e menos dispendiosos para projetar e construir de inversores de onda senoidal (multiníveis).

Os dispositivos eletrônicos de potência operam a frequências substancialmente inferiores, e podem ter perdas muito inferiores. Assim, há uma forte vantagem econômica para a capacidade de utilizar os inversores de onda quadrada.

Assim, os motores propostos aqui são capazes tanto de um aumento de potência a partir de uma máquina de determinado tamanho, quanto de uma maior eficiência na produção de energia fixa, além de serem capazes de usar comutação de potência de onda quadrada, pois são projetado para utilizar o benefício da energia das harmônicas.

Analise da Operação do Inversor do Sistema Meshcon:


No sistema Chorus Meshcon, um Inversor especialmente desenvolvido, ou seja, um Inversor de mais alta ordem de fase está ligado a um motor de indução de enrolamento concentrado de mais alta ordem de fase, através de uma ligação de malha (ou mesh), formando anel. Isto permite uma variação da relação V/Hz que o inversor enxerga, o que permite que a completa capacidade de saída do inversor seja utilizada, em ambas faixas de velocidades, alta e baixa velocidade.

Com um sistema de acionamento por Inversor convencional, o inversor vai entregar potência máxima quando estiver produzindo de tensão de saída plena à corrente de saída plena mas, isso só se apresenta em velocidades próximas à velocidade nominal do motor.

Para uma operação de baixa velocidade, a tensão de saída do inversor é restringida pela tensão terminal do motor, o que significa que o inversor não é pode fornecer potência de saída total.

Ao aumentarmos o motor relação V/Hz, por aumentarmos, digamos, o número de espiras, a tensão nos terminais do motor para a operação de baixa velocidade pode ser aumentada, aumentando assim a capacidade de saída de baixa velocidade do inversor. No entanto, fazer isso em um inversor convencional, também aumentará a tensão nos terminais do motor a alta velocidade, e afeta negativamente a capacidade em velocidade elevada.

Com o sistema Chorus Meshcon a relação V/Hz pode ser alterada por via eletrônica, durante o funcionamento operacional do motor. Isto significa que a capacidade plena do inversor estará disponível, tanto para o funcionamento a alta velocidade e baixa. A mudança de V/Hz relação é conseguida sem a utilização de quaisquer contatores ou ligação de outra forma da máquina durante a operação de mudança.

Em uma conexão em malha, cada terminal de um dado enrolamento do motor está ligado tanto a um terminal de saída do inversor, quanto à uma terminação de um enrolamento diferente. Isto significa que cada um dos terminais de saída do inversor está ligada a dois enrolamentos e, assim, a corrente que flui para fora de cada uma das pernas do inversor é a diferença entre a corrente que flui em cada um dos enrolamentos.



Cada enrolamento é ligado entre dois terminais do inversor, e a tensão colocada sobre um enrolamento depende dos dois terminais do inversor para o qual o enrolamento está ligado. a tensão sobre um enrolamento é a diferença entre as tensões aplicadas a cada um dos lados do enrolamento. Esta diferença de tensão pode ser alterada, por se alterar a relação conexão das fases aos terminais de saída do inversor, alterando a extensão (Span).

Em uma máquina trifásica convencional, há apenas uma ligação de malha possível, conhecida como a ligação em triângulo. Já, para máquinas de alta ordem de fase, existem muitas ligações de malha possíveis. Mais importante ainda, existem várias possíveis ligações simétricas que seriam adequadas para o funcionamento da máquina elétrica com uma unidade equilibrada.

Quanto maior o número de enrolamentos de fase da máquina (N, onde N é um número impar), maior o número de ligações de malha simétricas possíveis, com os valores Span possíveis desde Span =1, até Span =(N-1)/2 Veja exemplos para máquinas polifásicas de 5, 7 e 13 fases:


Por estas ligações simétricas, cada enrolamento é ligado aos terminais do inversor de modo que mantenham a mesma diferença do ângulo de fase entre si, pelo que a mesma magnitude de tensão é aplicada em cada enrolamento. Isto significa que o Inversor é capaz de funcionar com uma sequência de fase variável que muda a impedância efetiva do motor.

Estas ligações simétricas podem ser descritas pelo número de fases do inversor 'estendidas' (spanned) por um enrolamento. Por exemplo, se cada enrolamento é ligado a fase K e a fase K + 1, então, o valor de extensão (Valor Span), L = 1. Numa bem conhecida máquina trifásica, a conexão delta é dada por um valor de extensão L = 1. Assim, o enrolamento K é o enrolamento conectado entre os terminais de saída do inversor K e K + L.

Veja nas figuras a seguir, um exemplo de como as ligações se fazem, alterando-se automaticamente, para o caso de um motor de 17 fases, variando de L = 1 para L = 6:




Como consequência deste sistema, a operação com as formas de onda harmônica muda o número de pólos desenvolvidos na máquina, mas não altera a velocidade síncrona. Enquanto a ordem harmônica é menor que o número de fases na máquina, as mesmas frequências operacionais iram resultar na mesma velocidade síncrona vista pelo rotor.

O sistema Meshcon é particularmente adequado para aplicações de arranque / gerador, em que uma máquina rotativa simples tem baixa velocidade, para os requisitos da motorização de alto torque tal como partir um motor de combustão interna, seguido de alta velocidade e para os requisitos de produção de baixo torque, após o arranque do motor.

Outras aplicações incluem sistemas de tração limitados pelo inversor, em que a potência total pode ser entregue, tanto em velocidades baixa quanto alta, sem a necessidade de elementos de comutação de corrente elevada para a operação de baixa velocidade. O sistema Meshcon permite que os recursos completos do inversor sejam utilizado tanto em velocidades altas quanto baixas.



Por apenas explorar o uso benéfico dos harmônicos, sem aumentar tamanho e o custo da máquina ou da da eletrônica de potência, este sistema, pode ainda, gerar 5 vezes  corrente de ranhura e, portanto, 5 vezes o torque e, capacidade de sobrecarga eletrônica para até 20% da faixa inicial de velocidade, fornecendo torque elevado em baixas velocidade, sem comprometer a performance, a confiabilidade e a custo,em atas velocidades.



Em vez empregar no Inversor uma topologia de eletrônica de potência muito complexa para comutar entre todas os possíveis modos de religação simétrica de um motor de alta ordem de fase, considere que os harmônicos podem simular valores de extensão (Span) diferentes, pois os ângulos de fase são multiplicados pela valor de ordem da harmônica.
  • 3º ângulos harmônicos = 3 x ângulos fundamentais;
  • 5º ângulos harmônicos = 5 x ângulos fundamentais;
  • 7º ângulos harmônicos = 7 x ângulos fundamentais ... assim sucessivamente
A tensão fornecida para um dado enrolamento depende da diferença de tensão entre os dois terminais do inversor entre os quais tal enrolamento está ligado, onde a tensão no terminal depende do ângulo de fase líquida do inversor, que está associado com a extensão (Span) que é empregado. Como os componentes harmônicas (3a, 5a, 7a, etc) têm ângulos de fase (ângulos harmônicos) diferentes, a tensão colocada sobre um enrolamento, por uma componente harmônica, é diferente para cada harmônica diferente.

Voltando a olhar para a máquina de 17 fases, configurada para Span = 6, olhamos para um dos seus conjuntos de Vetores de Tensão (tensão entre dois terminais do Inversor como resultante), na fundamental (figura acima) e, em seguida, multiplicamos os ângulos de fases desses vetores por 3, a fim de obtemos os Vetores relativos à 3a harmônica. Feito isso, podemos verificar que os novos vetores coincidem com os Vetores de Tensão da fundamental p/ Span = 1 (figura ao lado).

Caso tivéssemos multiplicado os mesmos tais ângulos de fase dos vetores originais (para configuração Span = 6) por 5 (o que remete aos vetores relativos à 5a harmônica), verificaríamos, do mesmo modo, que eles corresponderiam com os Vetores de Tensão da fundamental p/ Span = 4.

O resultado disso é que, usando apenas a fundamental e as harmônicas de 3a e 5a ordem, um motor pode ter uma ampla gama de performance ótima. Então, para um motor da ordem de 17 fases, somente precisaremos comutar entre três valores de Span ideais (6, 1 e 4), de modo que:
  • Fundamental                 =   Span 6;
  • Harmônica de 3ordem =   Span 1;
  • Harmônica de 5ordem =   Span 4

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