Optimización del desempeño energético del motor de inducción trifásico mediante el dimensionamiento de las ranuras del rotor, usando el método de elementos finitos y el criterio de óptimo de pareto

Abstract

Uno de los objetivos de Desarrollo Sostenible establecidos por las Naciones Unidas en setiembre del 2015, es la respuesta mundial a la amenaza del cambio climático debido a la utilización de combustibles fósiles, y también asegurar el acceso y uso de las energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas; siendo una de las tareas importantes la eficiencia energética y, principalmente en los motores eléctricos de inducción considerando que consumen cerca del 80 % del consumo energético industrial. Las pequeñas mejoras en la eficiencia generan importantes ahorros en los costos, así como disminución del impacto ambiental, por lo que surge la necesidad y la importancia de mejorar la eficiencia de los motores de inducción. En la presente Tesis se desarrolla una metodología para determinar las dimensiones y forma de las ranuras del rotor, para la optimización multiobjetivo y obtener la mínima corriente de arranque, el máximo par de arranque y la máxima eficiencia del motor de inducción trifásico tipo jaula de ardilla. Se modela al motor de inducción trifásico mediante las ecuaciones de Maxwell para el campo magnético, considerando la no linealidad del material del núcleo y el efecto de las corrientes inducidas en los conductores. Se realizo la validación experimental del modelado por las ecuaciones de Maxwell y la solución numérica utilizando el método de elementos finitos, para determinar las características en régimen estacionario y transitorio, para lo cual se utilizó la máquina Student Demostration Set del Laboratorio de Electricidad de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, obteniéndose mejores resultados comparados con el modelo tradicional del circuito equivalente. Se analiza el efecto de la resistencia del devanado del rotor en las características de corriente, par y eficiencia, buscando desempeños particulares según el tipo de aplicación de los motores de inducción trifásico introduciendo mejoras en el proceso de diseño. Es decir que se propone utilizar esta metodología, después del diseño del motor de inducción, para introducir mejoras que optimicen la operación. Se ha realizado el análisis paramétrico, utilizando el método de elementos finitos, variando solo una de las dimensiones de la ranura rotóricas del motor original, con la finalidad de predecir las características de corriente de arranque, par de arranque y eficiencia. Se muestra que no posible obtener en forma simultánea la máxima eficiencia, el máximo par de arranque y la minina corriente de arranque. Utilizando el análisis paramétrico al variar de manera simultánea las variables de decisión bs1, bs2 y hs2 (que corresponde a 3 de las 6 dimensiones de la ranura del rotor), se genera 640 soluciones posibles. Utilizando el software Maxwell Ansys, se genera 640 características en régimen estacionario para la corriente del estator, el par y la eficiencia en función de la velocidad en RPM. Utilizando el criterio de Óptimo de Pareto se determina un conjunto de soluciones que sean buenos compromisos (trade-offs) entre los diversos objetivos. Se ha desarrollado una metodología de optimización multiobjetivo, usando el criterio de Óptimo de Pareto, que permite determinar las dimensiones y forma de la ranura del rotor que maximizan el desempeño energético del motor de inducción, es decir que tenga de manera simultánea la máxima eficiencia, la mínima corriente de arranque y el máximo par de arranque.

One of the Sustainable Development goals established by the United Nations in September 2015, is the global response to the threat of climate change due to the use of fossil fuels, and it also guarantees access and use of affordable, reliable, sustainable energy and modern; energy efficiency being one of the important tasks and, mainly, in controlled induction electric motors that consume about 80% of industrial energy consumption. Small improvements in efficiency generate significant cost savings, as well as less environmental impact, so there is a need and importance to improve the efficiency of induction motors. In this Thesis, a methodology is developed to determine the dimensions and shape of the rotor grooves, for multi-objective optimization and to obtain the minimum starting current, maximum starting torque and maximum efficiency of the three-phase squirrel cage induction motor. The three-phase induction motor was modeled using Maxwell's equations for the magnetic field, considering the nonlinearity of the core material and the effect of the induced currents in the conductors. The experimental validation of the modeling was performed by Maxwell's equations and the numerical solution using the finite element method, to determine the characteristics in stationary and transient regime, for which the Student Demostration Set machine of the Faculty of Electricity Laboratory was used. of Electrical and Electronic Engineering, obtaining better results compared to the traditional model of the equivalent circuit. The effect of the resistance of the rotor winding on current, torque and efficiency characteristics is analyzed, looking for particular performances according to the type of application of three-phase induction motors, introducing improvements in the design process. In other words, it is proposed to use this methodology, after the design of the induction motor, to introduce improvements that optimize operation. The parametric analysis was carried out, using the finite element method, of the dimensions of the rotor groove of the original motor, in order to predict the characteristics of starting current, starting torque and efficiency. It is shown that it is not possible to simultaneously obtain maximum efficiency, maximum starting torque, and minimum starting current. Using parametric analysis, 640 possible solutions of rotor grooves are generated, with dimensions and shapes by simultaneously varying decision variables bs1, bs2 and hs2. Using Maxwell Ansys software, 640 steady state characteristics are generated for stator current, torque, and speed-dependent efficiency in RPM. Using the Pareto Optimal criterion, a set of solutions is determined that are good trade-offs (trade-o ff s) between the various objectives. A multiobjective optimization methodology has been developed, using the Pareto Optimal criterion, which allows determining the dimensions and shape of the rotor groove that maximize the energy performance of the induction motor, that is, that it simultaneously has maximum efficiency, minimum starting current and maximum starting torque.