Como acelerar a simulação de motores de indução

1. Introdução

Motores de indução são amplamente utilizados na indústria por sua robustez, confiabilidade e eficiência. Buscando atender às exigências do mercado, o Ansys Maxwell apresenta metodologias estabelecidas para a simulação de máquinas de indução. Porém, devido ao princípio de funcionamento desse tipo de motor, a sua partida pode apresentar um longo período transiente. Quando o engenheiro está interessado apenas em avaliar o regime permanente de operação, tal característica se torna indesejada e pode atrasar as análises pretendidas. Pensando nisso, o presente artigo apresenta duas formas distintas de reduzir o tempo de simulação para atingir o regime permanente em máquinas de indução.

2. Fast Reach Steady State

Para simulações transientes com fontes de tensão AC, a componente DC do fluxo pode demorar muito tempo para estabilizar, especialmente para dispositivos com uma constante de tempo muito grande. Ao selecionar a opção Fast Reach, o Maxwell adiciona uma componente de tensão adicional durante a primeira metade do ciclo elétrico para rapidamente eliminar o fluxo DC, agilizando o transiente da simulação.

Essa funcionalidade pode ser habilitada dentro do Solve Setup com um duplo clique em Setup -> aba Solver e marcando a opção Fast Reach. O valor indicado na caixa Frequency of Added Voltage Source precisa ser o mesmo da frequência de excitação do modelo. Tal procedimento é demonstrado na figura abaixo:

Figura 2.1: Procedimento para habilitar o Fast Reach

3. Acoplamento com o solver Eddy Current

A segunda opção para agilizar a velocidade com que a simulação atinge o regime permanente consiste no acoplamento do solver Transient com o solver EddyCurrent. Nessa metodologia, o solver EddyCurrent é utilizado para encontrar as correntes de uma forma otimizada, essa solução então é passada para o solver Transient que atinge o regime permanente de forma muito mais rápida.

O passo a passo para realizar o acoplamento é descrito a seguir.

3.1 Preparação da simulação source

• Copie o modelo de interesse e cole sob o projeto, criando um novo modelo. Dessa forma você terá dois modelos, 01_source que será o modelo EddyCurrent, e 02_target que será a simulação transiente.

Figura 3.1: Criação do modelo Eddy Current

• Clique com o botão direito em 02_target e selecione Solution Type. Altere o tipo de solver para Eddy Current e clique em OK.

Figura 3.2: Atribuição do solver Eddy Current

• No modelo 01_source, expanda a aba Excitations e altere a fonte de tensão conforme a lógica abaixo, para que as fases estejam defasadas de 120 graus.

Figura 3.3: Setup da excitação do modelo

• Ainda no menu Excitations desative os Eddy Effects para todos os objetos.

Figura 3.4: Adequação dos Eddy Effects

• Clique em Project e selecione Project Variables. Clique em Add. Adicione uma variável chamada $slip. No exemplo abaixo, 3000 é a velocidade síncrona e 2976.27 é a velocidade do rotor.

Figura 3.5: Criação da variável do escorregamento

OBS: No solver EddyCurrent o rotor permanece estático, por conta disso precisamos fazer um escalonamento para simular a condição em que o rotor está girando. Para fazer isso, considera-se o circuito equivalente do motor e a resistência do rotor precisa ser dividida pelo escorregamento.

• Selecione todas as barras do rotor -> botão direito -> Assign Material.

Figura 3.6: Seleção do material

• Clique sobre o material utilizado e selecione a opção Clone Material

Figura 3.7: Processo de clonagem do material

• Crie um novo material e divida a Bulk Conductivity pela variável $slip que foi criada. Atribua esse material para todas as barras.

Figura 3.8: Adequação do material para simular a rotação da máquina

Em um design 2D, as cabeças de bobina não são modeladas geometricamente. Por conta disso, também é necessário escalonar a resistência dessa região.

• Clique em EndConnection e divida a resistência pela variável $slip.

Figura 3.9: Adequação da resistência nas cabeças de bobina

• Finalmente, altere/crie um novo setup e atribua para a Adaptative Frequency a frequência de excitação do motor.

Figura 3.10: Setup da frequência adaptativa do modelo

Pronto! O design source já está finalizado e podemos agora preparar a simulação 02_target.

3.2 Preparação da simulação Target

• Em Excitations, a definição da voltagem precisa estar em cosseno, pois o solver EddyCurrent utiliza essa formulação.
  
  

Figura 3.11: Setup da formulação cosseno

• Para que o acoplamento funcione, ambos os modelos precisam ser idênticos. Por conta disso, é necessário apagar quaisquer operações de malha que existam no modelo target.

Figura 3.12: Adequação das operações de malha

• Duplo clique no setup e selecione a opção Start/Continue from a previously solved setup. Clique em Setup Link e na nova aba selecione Use This Project. Após isso selecione como Source Design o modelo source e marque as duas opções disponíveis.

Figura 3.13: Acoplamento das soluções

• É importante desmarcar a opção Fast Reach sob a aba Solver, pois isso modificaria o nosso modelo em relação ao modelo source

Figura 3.14: Definição do setup de simulação

Isso finaliza o procedimento para acoplar ambos os solvers, agora é possível realizar a simulação de forma direta.

3.3 Limitações

Apesar de muito conveniente pela velocidade de simulação, o acoplamento com o Eddy Currents possui algumas limitações:

• O Solver Eddy Currents não permite o uso de conexões estrela para a conexão dos enrolamentos, caso ativa, essa definição precisa ser alterada para delta no menu Excitations.
• A velocidade de operação do motor precisa ser constante, já que o escorregamento depende desse valor.
• O Solver Eddy Currents não aceita modelos com alta saturação.

4. Comparação de resultados e conclusões

A tabela abaixo traz um comparativo do tempo de simulação para os diferentes métodos implementados.

Tabela 1: Comparativo entre os tempos de simulação utilizando diferentes métodos

Por meio dos resultados obtidos, é possível ver que o método de acoplamento com o solver Eddy Current, apesar de exigir mais etapas de configuração, pode reduzir o tempo de simulação em até metade, quando comparado com o método nominal. O Fast Reach, por sua vez, mostrou-se uma solução mais simples e rápida de aplicar, sendo vantajosa quando o interesse está apenas no comportamento em regime permanente, sem a necessidade de analisar o transiente com detalhes. Em suma, a escolha da metodologia depende dos objetivos da simulação e das características específicas do motor.