Modelagem analítica e numérica de bobinas pré-formadas e de barras Roebel aplicadas em máquias elétricas de grande porte

Abstract

Este trabalho apresenta um modelo analítico e um modelo numérico desenvolvidos para modelar o adensamento da corrente elétrica de bobinas pré-formadas e de barras Roebel aplicadas em máquinas elétricas de grande porte. Para reduzir a influência do adensamento de corrente elétrica nos condutores das bobinas, aplica-se uma técnica de transposição dos condutores (barras Roebel). Um modelo analítico foi desenvolvido e implementado no programa MATLAB e as simulações numéricas foram realizadas em um software comercial de elementos finitos. A análise é dividida em duas etapas. Na primeira etapa, consideram-se duas barras sem transposição dentro da ranhura simulando um enrolamento de dupla camada comumente empregado em máquinas elétricas de média tensão. Na segunda etapa é considerada a mesma situação, porém com os fios transpostos na região da parte reta para simular a barra Roebel com transposição de 360º. Para validar os modelos analíticos e numéricos, um experimento prático foi montado. Para o estudo das barras sem transposição alimentadas por correntes de mesma fase, tanto o modelo analítico quanto o modelo numérico convergiram para os valores encontrados no experimento prático. Isto permite afirmar que as considerações feitas em cada modelo não impactaram na validação dos mesmos. Entretanto, a mesma afirmação não pode ser concebida para os casos de alimentação com correntes defasadas, pois apenas o modelo numérico convergiu para os valores encontrados no experimento prático. Isto ocorreu porque o modelo analítico não considera o acoplamento magnético entre as barras inferior e superior. Logo, conclui-se que o acoplamento magnético entre as barras não pode ser descartado para análises de distribuição de corrente em enrolamentos de dupla camada. Já para as barras com transposição, mesmo desconsiderando o acoplamento magnético, os resultados do modelo analítico convergiram para os valores encontrados no experimento prático. Como a transposição dos fios reduz drasticamente a influência do fluxo magnético na distribuição da corrente na barra superior, é válido realizar uma análise independente para cada barra.

Abstract : This work presents an analytical and numerical model developed to study the non-homogeneous current distribution at preformed coils and Roebel bars applied in large electric machines. To reduce the influence of the circulating current at the coil conductors, the transposition technique shall be applied (Roebel bar). An analytical model was developed at MATLAB program and the numerical simulations were realized in a finite element commercial software. The analysis is divided in two stages. In the first stage it is considered two bars without transpositions in the slot portion simulating a double layer winding commonly used in medium voltage electric machines. In the second stage it is considered the same situation but with transposition in the slot portion to simulate the Roebel bar with 360º transposition. To validate the analytical and numerical model a practical experiment was manufactured. For the study of non-transposed bars supplied with currents with equal phases both the analytical and numerical model converged for the practical values. Thus, it can be stated that all considerations made did not impact at the validation. However, the same statement cannot be done for the study of bars supplied with different phases currents because only the numerical study converged for the practical values. That occurs because the analytical model not considers the magnetic coupling between top and bottom bar in the slot. Thus, it is possible to conclude that the magnetic coupling between bars cannot be ignored for double layer windings current analysis. For Roebel bars, even disregarding the magnetic coupling between top and bottom bars, the analytical results converged for the practical values. Since the wires transposition has a drastically influence at the magnetic flux distribution of the top bar current, it is valid to realize an independent analysis for each bar.