Development of graphical and analytical methods for analysis of direct starting of induction motors in industrial facilities

Um dos distúrbios mais freqüentes acarretados pela partida direta de grandes motores de indução é o afundamento de tensão decorrente das elevadas correntes de energização drenadas pelos mesmos durante a fase inicial de aceleração. Essas variações da magnitude de tensão podem deteriorar a operação de cargas sensíveis, geradores e relés digitais existentes em instalações industriais. Portanto, sempre que um novo motor de indução é conectado em uma instalação industrial, os engenheiros de planejamento estão interessados em saber se esse procedimento irá resultar em níveis aceitáveis de afundamentos de tensão. O impacto da partida do motor de indução na qualidade de energia pode ser avaliado por estudos que exigem complexas e numerosas simulações de transitórios eletromagnéticos, o que demanda um considerável tempo de mão de obra altamente especializada. Nesse contexto, o objetivo dessa dissertação de mestrado é desenvolver métodos analíticos e gráficos confiáveis e práticos que auxiliem os engenheiros de planejamento nos projetos de instalação e de partida de motores de indução em instalações industriais com cargas sensíveis a variações de tensão. Tais métodos foram desenvolvidos para análise de motores de indução do tipo gaiola de esquilo com partida direta, tendo em vista que esse é um esquema bastante adotado devido ao seu baixo custo e simplicidade. Os métodos analíticos são desenvolvidos através da solução dos modelos matemáticos de regime permanente e dinâmicos dos diversos componentes da instalação industrial. A precisão dos métodos analíticos propostos é verificada através da comparação dos respectivos resultados com aqueles obtidos através de simulações de transitórios eletromagnéticos. O objetivo dos métodos gráficos é facilitar a compreensão das informações relacionadas ao comportamento dinâmico da tensão através de gráficos semelhantes aos tipicamente utilizados na análise de qualidade de energia (e.g., ITIC - Information Technology Industry Council)One of the most common disturbances caused by the starting of large induction motors is the voltage sag that occurs due to the high inrush current. These variations in voltage and current magnitude can deteriorate the operation of generators, sensitive loads and digital relays in industrial facilities. Therefore, whenever a new induction motor is connected to the system, planning engineers want to know if the motor starting would result in acceptable voltage sag levels. The impact of the induction motors starting on the power quality can be assessed by studies that require numerous and complex electromagnetic transient simulations, which is very time-consuming. In this context, the objective of this work is to develop simple graphical and analytical methods to assist planning engineers when analyzing the installation of new induction motors in industrial facilities. This work will focus on squirrel-cage induction motors with direct start, since this scheme is extremely adopted due to its low cost and simplicity. The analytical methods are developed through the solution of the steady state and dynamic models of the several components of the industrial facility. The accuracy of the analytical methods proposed is validated through comparison with the results obtained by repetitive electromagnetic transient simulations. The objective of the methods is to facilitate the understanding of the information obtained about the dynamic behavior of the voltage through charts typically used in the analysis of power quality (e.g., ITIC - Information Technology Industry Council