Electronic device for performance improvement of three phase induction motors

Dissertação de mestrado em Engenharia MecatrónicaEstudos realizados por organizações internacionais comprovam que a maioria dos motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo, com potências superiores a 4 kW e que funcionam com velocidade fixa1, utilizam o método de arranque estrelatriângulo. Nesta dissertação é proposto o desenvolvimento de um dispositivo eletrónico para seleção automática do tipo de ligação dos enrolamentos estatóricos dos motores de indução trifásicos com rotor em gaiola de esquilo, em função da sua carga. Este dispositivo é particularmente adequado para motores de média potência, com uma variação de carga significativa durante o seu ciclo de funcionamento, incluindo longos períodos de operação com carga baixa. A principal vantagem está no controlo automático do modo de ligação dos enrolamentos estatóricos, em estrela ou triângulo, em função da carga aplicada ao motor. Em aplicações de carga variável e velocidade fixa, este controlo permite melhorar significativamente o rendimento e fator de potência do motor. Tratando-se de um dispositivo de estado sólido, em que os contactores eletromecânicos são substituídos por eletrónica de potência, é possível minimizar o tempo de comutação, e consequentemente o deslizamento pela redução do tempo de comutação, relativamente à comutação estrela-triângulo convencional. A solução proposta permite também eliminar os três contactores utilizados nos arrancadores estrela-triângulo convencionais. Além disso, este dispositivo, caso seja instalado na caixa de terminais, como é o objetivo final, permite eliminar três dos seis condutores necessários para os arrancadores estrela-triângulo, traduzindo-se em poupanças muito significativas em cabos para novas instalações de motores. Adicionalmente, há um conjunto de funcionalidades que podem ser incorporadas no dispositivo como monitorização de consumos, proteção do motor e diagnósticos de avarias.Studies by international organizations show that the majority of three-phase squirrel-cage induction motors, with an output power over 4 kW and running with fixed speed2, use the star-delta starting method. In this dissertation is proposed the development of an electronic device for automatic selection of connection type of stator windings of three-phase squirrel-cage induction motors, depending on their load. This device is particularly suitable for medium power motors, with a significant load variation during operation cycle, including long periods of operation at low load. The main advantage is the automatic control of the connection mode of the stator windings in star or delta, depending on the load applied to the motor. In variable load and fixed speed applications, this control allows to significantly improve the efficiency and power factor motor. Being a solid state device, in which the electromechanical contactors are replaced by power electronics, it is possible to minimize the switching time, and thus slip reducing the switching time, relative to the conventional star-delta switching. The proposed solution also eliminates the three contactors used in conventional star-delta starters. In addition, this device, if installed in the terminal box, which is the final objective, allows to eliminate three of the six conductors required for the star-delta starters, resulting in very significant savings in cables for new motor installations. Additionally, there is a set of features that can be incorporated into the device as monitoring of consumption, motor protection and fault diagnostics