As empresas e a indústria adoram motores de indução de gaiola de esquilo para aplicações de alta velocidade. Os gerentes de rede elétrica os detestam, porque seus fatores de potência sob baixas cargas podem tornar a rede instável. Mas é possível projetar um motor de gaiola de esquilo para funcionar bem em uma rede elétrica - e ainda ser eficiente, poderoso e confiável. Um pesquisador de engenharia elétrica da Universidade de Joanesburgo (UJ) otimiza um projeto de rotor com Inteligência Artificial (IA). Nos testes de laboratório, ele descobriu que o motor de 5,5 kW otimizado para IA funciona de forma eficiente com excelente fator de potência em cargas muito baixas. O fator de potência é tão bom que nenhuma correção externa do fator de potência é necessária para esses motores, resultando em economias de custo substanciais. Crédito:Design gráfico por Therese van Wyk, Universidade de Joanesburgo. Levante a tampa de uma casa eletrificada, uma fábrica ou uma mina, e você encontrará uma tropa de motores de gaiola de esquilo ativos o tempo todo. As nações industrializadas não seriam tão industriais sem isso.
Robusto e confiável, esse tipo de motor de indução trifásico é muitas vezes a opção de escolha na indústria. Estes não produzem faíscas e se encaixam muito bem em ambientes perigosos como refinarias de petróleo, minas e elevadores de grãos, e são usados para operações de moagem, bombeamento e sopro.
Em casa, a geladeira, a máquina de lavar, a secadora e a bomba da piscina são alimentadas por motores monofásicos de gaiola de esquilo. Os motores são especialmente bons para aplicações de alta velocidade acima de 3000 rpm. Melhor ainda, os motores de gaiola de esquilo são de partida automática e não precisam de muita manutenção, mesmo se avaliados em centenas de cavalos de potência.
No entanto, motores de gaiola de esquilo podem causar multas disruptivas na conta de energia para grandes empresas. Na África do Sul, a emissora nacional costuma veicular anúncios à noite incentivando as pessoas a desligarem seus eletrodomésticos e bombas de piscina.
Os negócios e a indústria adoram motores de indução de gaiola de esquilo para aplicações de alta velocidade. Os gerentes de rede elétrica os detestam, porque seus fatores de potência sob baixas cargas podem tornar a rede instável. Mas é possível projetar um motor de gaiola de esquilo para funcionar bem em uma rede elétrica - e ainda ser eficiente, poderoso e confiável. (AI). Nos testes de laboratório, ele descobriu que o motor de 5,5 kW otimizado para IA funciona de forma eficiente com excelente fator de potência em cargas muito baixas. O fator de potência é tão bom que nenhuma correção externa do fator de potência é necessária para esses motores, o que pode resultar em economias substanciais nas contas de energia. Crédito:Vídeo de Therese van Wyk, Universidade de Joanesburgo. Fluxogramas do Dr. Mbika Muteba, como parte de 'Otimização do comprimento do entreferro e enrolamento auxiliar capacitivo em motores de indução trifásicos com base em um algoritmo genético', publicado em Energies , 10.3390/en14154407. Gráficos criados com Datawrapper, com base na Tabela 9 em estudo de pesquisa. Projeto de rotor criado com ANSYS Motor CAD por Dr Mbika MutebaMusic por ltamara2 e Officina27 no Pixabay Music. IA para jogar bem Em suma, há uma enorme demanda por motores potentes de alto desempenho e custo-benefício. Mas os gerentes de redes elétricas também exigem que esses motores causem interrupções limitadas. Dr. Mbika Muteba da Universidade de Joanesburgo treinou uma IA para otimizar o projeto de um motor de gaiola de esquilo. O estudo foi publicado na revista Energies . A IA garantiu que o design otimizado cause pouca interrupção na rede elétrica à qual está conectado, melhorando significativamente o fator de potência do motor. Nesta pesquisa, a Muteba modelou e projetou rotores e bobinas capacitivas auxiliares para um motor de gaiola de esquilo de 5,5 kW (7,37 cavalos de potência métrica). Então ele construiu os rotores e os testou em laboratório. O desempenho do mundo real dos motores correspondeu ao desempenho previsto. O primeiro motor testado não possui bobina auxiliar no estator e não é otimizado por IA. O segundo possui uma bobina auxiliar para melhorar o fator de potência e também não é otimizado por IA. O terceiro motor possui uma bobina auxiliar no estator e também é otimizado pelo algoritmo AI. O algoritmo genético o otimizou para o mais alto desempenho em várias cargas na corrente elétrica consumida (torque por ampere). Muteba verificou os resultados do algoritmo genético com análise de elementos finitos. O motor de 5,5kW otimizado para IA teve um excelente fator de potência na configuração do laboratório, variando de 0,93 medido a 0% de carga a 0,99 a 60% de carga até 120% de carga. A eficiência em plena carga do motor otimizado por IA é de 85,87%, que está dentro de 1 a 2% do motor não otimizado. Sua eficiência para cargas abaixo de 30% também é muito melhor em comparação com os motores não otimizados. Mais importante ainda, mesmo com o excelente fator de potência, o motor otimizado fornece mais torque enquanto consome menos corrente. O torque por ampere do projeto otimizado por IA foi uma melhoria de dois dígitos em relação ao motor sem otimização de IA. O torque do motor otimizado por ampere é 22% maior com 20% de carga, 16% maior com 60% de carga e 13% melhor com 120% de carga, em comparação com a versão não otimizada. Por que motores de gaiola de esquilo podem tornar as grades instáveis "Motores de gaiola de esquilo geralmente têm um fator de potência ruim. Especialmente se eles estão dando partida ou operando sob cargas leves", diz Muteba. "Mas as empresas de energia querem que todas as cargas que você conecta à rede, seja o motor de uma bomba de piscina ou uma máquina de britagem de minério em uma mina, tenham um bom fator de potência." As redes elétricas trifásicas fornecem dois tipos de energia. A primeira é a potência ativa que aciona os motores e faz o trabalho. As concessionárias de energia faturam seus clientes por isso em quilowatts ou megawatts. As redes também fornecem energia reativa. Motores de gaiola de esquilo consomem energia reativa em uma grade para manter os campos magnéticos em seus rotores. Sem esse campo, um motor de gaiola de esquilo não funciona. De todos os tipos de motores elétricos, os motores de gaiola de esquilo são os mais famintos por energia reativa. Os transformadores que reduzem a energia de alta tensão para tensões domésticas ou industriais também consomem a energia reativa em uma rede. "Uma carga com baixo fator de potência consome muito mais energia reativa. Quando centenas ou milhares dessas cargas são conectadas a uma rede, os proprietários da rede precisam gastar para atualizar a rede para fornecer mais energia reativa", diz ele. Crédito:Therese van Wyk, Universidade de Joanesburgo. Se uma rede estiver sobrecarregada por cargas com fatores de potência ruins, todas as cargas na rede, mesmo aquelas com bons fatores de potência, não podem obter energia reativa suficiente para operar e a rede pode se tornar instável. Isso pode causar grandes danos em minas, fábricas e sistemas de irrigação em fazendas. As concessionárias de energia penalizam fortemente os usuários por cargas com fatores de potência ruins. Assim, uma rede elétrica nacional pode ter dezenas ou centenas de milhares de motores de gaiola de esquilo conectados a ela, como cavalos de batalha confiáveis. Mas o baixo fator de potência combinado dos motores pode tornar uma rede imprevisível e até instável. Economia significativa A otimização de IA para o rotor e bobina capacitiva auxiliar possibilitou melhorar o fator de potência e o desempenho e ainda ter um motor esquilo confiável e eficiente para aplicações desafiadoras, diz Muteba. O motor otimizado para IA possui um entreferro entre o rotor e o estator, que é maior do que em um motor não otimizado. Sob altas cargas, altas temperaturas e altas velocidades, o motor otimizado deve ter melhor desempenho mecanicamente do que os motores não otimizados. Crédito:Design gráfico e fotos de Therese van Wyk, Universidade de Joanesburgo. “Com esses resultados, vemos que é possível operar motores de indução gaiola de esquilo sem gastar milhões em compensadores reativos para evitar multas das concessionárias. adiciona. "O rotor otimizado para IA e a bobina capacitiva auxiliar têm um excelente fator de potência em toda a gama de cargas e ainda são mais eficientes, com desempenho mais alto também." Para uma microrrede, ou rede elétrica de propriedade privada, a construção de um excelente fator de potência em cada motor de gaiola de esquilo também torna a rede muito mais fácil de gerenciar, diz ele. vantagem da IA no design Usar a IA para otimizar o projeto do rotor e da bobina capacitiva auxiliar pode economizar tempo em comparação com as práticas de projeto arraigadas, diz Muteba. O algoritmo genético levou 27 minutos para otimizar o projeto do rotor e da bobina capacitiva auxiliar, em oito execuções e 60 gerações de cromossomos processados. "Os engenheiros de projeto enfrentam o desafio de selecionar o valor ideal do comprimento do entreferro e da bobina capacitiva auxiliar. Na maioria dos casos, eles usam software de projeto que realiza análises de sensibilidade e paramétrica. Esses processos geralmente são demorados, com recursos de pesquisa limitados", diz Muteba. "IAs como algoritmos de busca ideal podem encontrar o valor ideal do comprimento do entreferro e bobina capacitiva auxiliar pesquisando um grande espaço de solução em questão de minutos. A técnica baseada em população, usada nesta pesquisa, um algoritmo genético, é uma boa apto para encontrar os valores ótimos necessários."