Análisis de campos electromagnéticos en el interior de un motor de inducción y su aplicación al estudio del arranque y corto circuito

Abstract

RESUMEN: Esta tesis presenta un modelo trifásico del motor de inducción tipo jaula de ardilla para el cálculo de transitorios electromagnéticos. E l modelo consiste de una red de elementos eléctricos lineales calculados a partir del estudio de campos electromagnéticos. Este modelo es interfasado con el programa de transitorios electromagnéticos EMTP. El estudio de campos electromagnéticos se efectúa considerando que el motor de inducción consta de cinco regiones (cilindros concéntricos) de longitud axial infinita. L o s núcleos magnéticos de hierro (del estator y del rotor) están laminados, se desprecian la histéresis y la saturación y no se incluye el amortiguamiento de las corrientes circulantes parásitas (eddy) en los núcleos de hierro. La jaula de ardilla es un conductor, el entrehierro y la región externa se consideran como aire. El devanado del estator esta representado por una corriente laminar que posee la misma variación temporal de una onda viajera senoidal. El modelo eléctrico se obtiene de la aplicación del principio de dualidad al circuito magnético. El número de trayectorias del flujo magnético se elige dependiendo de la exactitud deseada. El principio de dualidad se aplica también en el estudio m e c á n i c o , los parámetros (momento polar de inercia, coeficiente de amortiguamiento y la constante de rigidez torsional) se representan por elementos eléctricos que se conectan al modelo eléctrico. Los parámetros del modelo eléctrico pueden calcularse para diferentes velocidades. E n esta tesis, se calculan para las condiciones de arranque y velocidad nominal. Se ha desarrollado un programa (escrito en "Mathematica") para la evaluación de funciones matemáticas especiales (funciones Bessel y sus operadores) requeridas para el cálculo de los parámetros del modelo eléctrico y para la evaluación de las gráficas tridimensionales de las variables electromagnéticas. El estudio de campos electromagnéticos fue validado al comparar el par de arranque y nominal calculados con valores medidos. Los resultados fueron comparados con pruebas en laboratorio para validar la simulación digital del transitorio en el arranque con el modelo eléctrico desarrollado. ABSTRACT: This thesis presents a model for the three phase squirrel cage induction motor suitable for the calculation of electromagnetic transients. The model consists of a network of linear electric elements computed from the study of electromagnetic fields. This model is interfaced with an electromagnetic transient program (EMTF). The electromagnetic field study is performed considering that the induction motor consists of five regions (concentric cylinders) with infinite axial length. The magnetic iron core (of the stator and rotor) is laminated, hysteresis and saturation are neglected, the damping produced by the eddy currents in the iron core is not included. The squirrel cage is a conductor, the airgap and external región are considered as air. The stator winding is represented by a current sheet with the same time variation as the sinusoidal travelling wave. The electric model is obtained from the application of the principie of the duality to the magnetic circuit. The number of magnetic flux trajectories is chosen depending on the desired accuracy. The principie of duality is also applied to the mechanical study, the parameters (polar momentum of inertia, damping coefficient and torsional spring constant) are represented by electric elements that are connected to the electric model. The parameters of the electric model can be calculated for different speeds. I n this thesis, they are calculated for the starting conditions and for nameplate speed. A program (written in "Mathematica V.2.") has been developed for the evaluation of the mathematical special functions (Bessel functions and their operators) required for the calculation of the magnetic and electric lumped parameters of the models. The program can also display the 3 - D plots of the electromagnetic variables. The study of electromagnetic fields was validated by the comparison of the calculated starting and nominal torques with measured valúes. T o valídate the digital simulations of the starting transient using the electric model developed, the results were compared with laboratory tests.