Modelo semi-analítico orientado à otimização para projeto de geradores síncronos de polos salientes e rotor bobinado

Abstract

Esta dissertação explora o uso de redes de relutância acopladas a algoritmos de otimização para desenvolver um modelo semianalítico para o projeto ótimo de geradores síncronos de rotor bobinado. Esses geradores são essenciais para a conversão de energia mecânica em energia elétrica. Um desafio significativo em seu projeto é calcular a tensão terminal da máquina, que implica em obter os parâmetros de eixo direto (𝑋𝑑) e eixo em quadratura (𝑋𝑞) sem depender da Análise de Elementos Finitos (FEA). Este estudo oferece uma solução para esse desafio, eliminando os custos computacionais e de tempo associados à FEA, tornando o processo de projeto mais acessível. O objetivo é alcançado ao criar um modelo orientado para a otimização (MOO) que utiliza redes de relutância para calcular as reatâncias de eixo direto, quadratura e a tensão induzida nas bobinas do induzido, assumindo um comportamento senoidal do fluxo magnético. Com a tensão induzida determinada, a queda de tensão é calculada usando os parâmetros 𝑋𝑑 e 𝑋𝑞 para alcançar a tensão terminal desejada. Após a conclusão, o algoritmo de otimização Sequential Quadratic Programming (SQP) é empregado para desenvolver uma fronteira de Pareto maximizando dois objetivos contrastantes, sendo eles a eficiência e densidade de conjugado. O Pareto evidencia as mudanças na eficiência em função da densidade de torque, permitindo a análise e seleção de projetos de máquinas ótimos. Finalmente, uma das máquinas projetadas usando o MOO, em combinação com algoritmos de otimização, é validada por meio de simulações FEA, confirmando a precisão e efetividade do modelo na otimização do design de geradores síncronos.