Search

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais This work presents the development of a learning platform for testing the three-phase induction motors. The project is the implementation and automation of a mechanical bench for testing in electrical machines with power less than 5HP. The developed bench allows user interaction, gradual and assisted in all stages, ie, from the design of the electric machine to the experimental verification of the dynamic behavior of the tested machine. Teaching resources from educational are illustrated by the results obtained with the control of a dc machine operating as a generator driven by three-phase induction motor. With this stand it is possible to perform significant tests to determine the performance of electric motors, such as measuring voltages and stator currents, speed, torque and power on to the motor shaft, beyond the graphics of torque and current versus speed , power and efficiency versus applied load factor. To drive and processing of information obtained (measures), uses a data acquisition system controlled by an application developed specifically for this work in graphical programming using the \"LabVIEW \" software. The study was conducted in steps like the following description: literature review study of NBR 5383-1(2002) (Brazilian rules of electrical machines), study and simulation of induction motors, physical design of the bench, specification of sensors and equipment, assembly and implementation of the testing manager application. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de uma plataforma didática para ensaios de motores de indução trifásico. O projeto consiste na implementação e automação de uma bancada mecânica para ensaios de motores elétricos com potência de até 5CV. A plataforma desenvolvida permite uma interação do usuário, gradual e assistida, em todos os estágios dos ensaios, ou seja, desde a escolha do tipo da máquina elétrica até a verificação experimental do comportamento dinâmico da máquina ensaiada. Os recursos didáticos da ferramenta educacional são ilustrados com resultados obtidos com o controle de uma máquina de corrente contínua, operando como gerador acionada por um motor de indução trifásico. Com esta bancada é possível a realização de testes relevantes para determinação de desempenho dos motores elétricos, como a medição de tensões e correntes de estator, velocidade, conjugado e potência no eixo da máquina ensaiada, além da obtenção das curvas de conjugado e corrente versus velocidade, fator de potência e rendimento versus carga aplicada. Para acionamento e processamento de informações obtidas (mensuradas), utiliza-se um sistema de aquisição de dados controlado por um aplicativo desenvolvido especificamente para este trabalho na linguagem de programação gráfica ―LabVIEW ‖. O trabalho foi desenvolvido nas seguintes etapas: levantamento bibliográfico, estudo da Norma NBR 5383-1(2002), estudo e simulação dos motores de indução trifásicos, projeto físico da bancada, especificação dos sensores e equipamentos, montagem da bancada e implementação do aplicativo gerenciador dos ensaios. Mestre em Ciências

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A aplicação de máquinas de relutância variável tem aumentado consideravelmente em aplicações industriais, sistemas de energia eólica e veículos elétricos. Isso ocorreu porque suas principais desvantagens, como a oscilação no torque, foram superadas devido à pesquisa contínua e suas vantagens, como construção simples e robusta, capacidade de operar em altas e variadas velocidades, insensibilidade a altas temperaturas e tolerância a faltas, tornaram a máquina de relutância variável a máquina certa para muitas aplicações. No entanto, algumas dificuldades são enfrentadas para executar bons projetos, como a não linearidade inerente do motor e a modelagem. Este trabalho explora a teoria, funcionamento e procedimentos de projeto nos primeiros capítulos. Em termos práticos é realizado a análise de sensibilidade do desempenho e a modelagem da máquina, ambos baseados na variação de parâmetros geométricos e nos resultados obtidos através de simulações de elementos finitos. O objetivo desse estudo é fornecer dados consistentes sobre quais dimensões devem ser alteradas para aplicações específicas, de modo a fundamentar escolhas feitas na etapa de projeto e otimização. Uma abordagem analítica utilizando a pseudoinversa de Moore-Penrose é proposta para modelar as características da máquina de relutância variável. No entanto, a modelagem proposta pode ser generalizada e utilizada para modelar qualquer sistema físico, desde que seja possível obter dados experimentais/computacionais a partir dele. Para organizar o conjunto de dados da modelagem e realizar a análise de sensibilidade foi utilizado métodos de planejamento de experimentos, que é um ramo da estatística aplicada utilizado para conduzir estudos científicos de um sistema, processo ou produto. Para atestar a qualidade da modelagem proposta um modelo utilizando rede neural artificial foi treinado com o mesmo conjunto de dados e seus resultados para predição de valores é comparado ao modelo pseudoinverso e aos valores obtidos por simulação de elementos finitos. Os resultados obtidos comprovam a viabilidade e qualidade do modelo proposto. The switched reluctance machine has gained much interest in industrial applications, wind power systems and electric vehicles. This happened because, its main disadvantages, such as the ripple in the torque, were overcome due to continuous research, and its advantages, such as simple and robust construction, ability to operate at high speeds and variable speeds, insensitivity to high temperatures and fault tolerance, have made the switched reluctance machine the right machine for many applications. However, some difficulties are faced to execute good designs, such as the inherent non-linearity of the machine and the modeling. This work explores the theory, operation and design procedures in the first chapters. In practical terms, performance sensitivity analysis and machine modeling is performed, both based on the variation of geometric parameters and the results obtained through finite element simulations. The purpose of this study is to provide consistent data on which dimensions must be changed for specific applications, in order to support choices made in the design and optimization stage. An analytical approach using the Moore-Penrose pseudo-inverse is proposed to model the characteristics of the switched reluctance machine. However, the proposed modeling can be generalized and used to model any physical system, as long as it is possible to obtain experimental/computational data from it. To organize the modeling data set and perform the sensitivity analysis, methods of design of experiments were used, which is a branch of applied statistics used to conduct scientific studies of a system, process or product. To certify the quality of the proposed modeling, a model using artificial neural network was trained with the same data set and its results for values prediction are compared to the pseudo-inverse model and the values obtained by finite element simulation. The results obtained prove the feasibility and quality of the proposed model. Tese (Doutorado)

O presente trabalho tem como objetivo estudar a força propulsora proveniente do motor de indução linear plano, na condição de bloqueio. Utiliza-se um método de imposição de correntes elétricas ao estator através de um conversor de frequência PWM acionado por uma plataforma realimentada. A leitura da força propulsora foi realizada através de uma célula de carga utilizando um circuito eletrônico para leitura e condicionamento do sinal. Visando a análise completa do motor linear, foi realizado uma modelagem computacional que emprega todos os parâmetros relevantes ao estudo da máquina bloqueada. Ao final realizou-se um confronto teórico experimental que avaliou a eficiência do método proposto. This work intent to study the motive power provided by the plane linear induction motor, in a lock condition. It uses a method of imposition of the electric current to the stator via a frequency convertor PWM driven by a refed platform. The reading of the motive power was performed by a load cell using an electronic circuit for reading and conditioning of the signal. Aiming a complete analysis of the linear motor, it was performed a computational modeling that employs all relevant parameters to the study of the locked machine. At the end it was held a theoric-experimental confrontation that evaluated the effectiveness of the proposed method. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais O uso de energia elétrica está presente em inúmeras atividades de nosso cotidiano. Grande parte dessas atividades exige certa mobilidade. Mas o uso de cabos na transmissão de energia elétrica limita essas atividades. Temos hoje uma série de dispositivos ou equipamentos elétricos autônomos que apesar da portabilidade destes dispositivos, sua mobilidade é condicionada a reposição de carga. Também na medicina, diversos implantes internos que necessitam de pequenas baterias, necessitando de substituição periódica, através de procedimentos cirúrgicos que poderiam ser evitados se fosse possível a recarga. Estas limitações impulsionam o desenvolvimento da tecnologia de transmissão de energia sem fios. Portanto este trabalho tem por objetivo a modelagem matemática de um sistema de transmissão de energia sem fios com múltiplos receptores e investigar numérica e experimentalmente a eficiência desse sistema. Para isso são investigados teoricamente a influência da variação dos parâmetros físicos do projeto, tais como o número de espiras e o tipo de bobina do sistema emissor/receptores, posicionamento relativo entre o emissor e receptores além da distância de separação. São apresentados resultados experimentais com as bobinas e o protótipo construído, para diversas configurações de receptores, a fim de demonstrar a validade do modelo desenvolvido os pontos de máxima transferência de potência (MPT), de acordo com a análise numérica. The use of electric energy is present in countless activities of our daily life. Most of these activities require some mobility. But the use of cables in the transmission of electricity limits these activities. Today, we have a series of autonomous electrical devices or equipment that, despite the portability of these devices, their mobility is subject to load replacement. Also, in medicine, several internal implants that require small batteries, requiring periodic replacement, through surgical procedures that could be avoided if it was possible to recharge. These limitations drive the development of wireless energy transmission technology. Therefore, this work aims at the mathematical modeling of a wireless energy transmission system with multiple receivers and to investigate numerically and experimentally the efficiency of this system. For this purpose, the influence of the variation of the physical parameters of the project is theoretically investigated, such as the number of turns and the type of coil of the emitter / receiver’s system, relative positioning between the emitter and receivers beyond the separation distance. Experimental results are presented with the coils and the prototype built, for several configurations of receivers, in order to demonstrate the validity of the developed model the points of maximum power transfer (MPT), according to the numerical analysis. Tese (Doutorado) 2022-10-01

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior FAU - Fundação de Apoio Universitário Dentre uma diversidade de recursos existentes para fins da regulação da tensão, no passado, os Reatores a Núcleo Saturado (RNS) representaram uma estratégia de compensação bastante difundida. Não obstante os atrativos desta solução, o fato é que, por décadas, tal filosofia foi substituída por outros dispositivos, com princípios funcionais mais atuais. Todavia, a busca por alternativas que conciliem aspectos econômicos e técnicos têm, no momento, motivado a procura por produtos que proporcionem um equilíbrio entre estes dois requisitos. Neste contexto e congregando novos recursos disponibilizados pelo mercado, a filosofia que embasa os reatores saturados pode, para muitas situações, representar uma solução que oferece vantagens quanto aos aspectos econômicos e eficácia operacional. Focando, pois, em tais reguladores, esta tese de doutorado se apresenta voltada para o estabelecimento de uma metodologia para o pré- projeto destes equipamentos seguido por sua modelagem e implementação computacional para a realização de estudos de desempenho, visando avaliar sua eficácia para o processo da regulação ora almejada. Objetivando o estabelecimento de meios para a validação da proposta de projeto e modelagem computacional, estudos comparativos entre os resultados obtidos pelas simulações e testes em campo conduzidos para um protótipo de reator em escala real são também realizados. Ainda, à luz da existência de novos materiais magnéticos desenvolvidos e comercialmente disponibilizados, a pesquisa contempla uma análise comparativa entre o uso dos aços silícios convencionais e as ligas amorfas para a fabricação do núcleo de reatores saturados. Among a diversity of existing resources for voltage regulation, in the past, the Saturated Core Reactors (SCR) represented a widespread compensation strategy. Despite the attractiveness of this solution, the fact is that, for decades, other devices with latest functional principles have replaced this philosophy. However, at this moment the demand for products that provide a balance between economic and technical aspects motivates the search for alternatives that reconcile these two requirements. In this context and gathering new resources available in the market, the idea based on saturate reactors may represent in many situations a solution that offers advantages related to economic aspects and operational efficiency. Therefore, focusing on such regulators, this PhD project proposal has the objective of establishing a pre-design methodology for these devices followed by computational modelling and implementation for performance studies, which aims at evaluating the effectiveness of the desired regulation process. In order to establishing means to validate the project proposal and computational modelling, comparative studies between the results obtained by simulations and field tests executed on a full-scale reactor prototype are also performed. Still, in light of the existence of new magnetic materials developed and commercially available, the research includes a comparative investigation between the use of conventional silicon steels and amorphous alloys to design the saturated reactors core. Tese (Doutorado)

O motor linear à relutância variável (MLRV) é uma máquina elétrica alimentada em corrente contínua, com fases excitadas numa sequência determinada. Caracterizado por operar numa ampla faixa de variação de velocidade, é utilizado em aplicações lineares que convertem energia elétrica em força e movimento de translação. A necessidade de dispositivos comutadores de corrente e um sistema de controle requer boa estimativa do perfil de indutância do motor. No entanto, uma vez que o maior entreferro dificulta o cálculo analítico, este perfil deve ser obtido através de métodos numéricos. Neste contexto, este trabalho apresenta um motor linear do tipo fluxo longitudinal de 4 fases, destinado a mover um sistema de translação deslizante de abertura e fechamento. A robustez, a simplicidade de construção e a potência reduzida foram decisivos na escolha do tipo de máquina. A análise via elementos finitos (AEF) é aplicada a fim de determinar o desempenho, qualificado pela auto-indutância das bobinas de fase e pela capacidade de produção da força de propulsão. A AEF também é utilizada na avaliação do fator de ondulação da força (force ripple), altamente presente neste tipo de motor, além da produção de vibração e ruído acústico, decorrentes do mesmo. The linear variable reluctance motor (LVRM) is an electric machine fed by direct current with excited phases in a given sequence. Characterized by operating in a wide range of speed variation, it is used in linear applications that converts electric energy into force and translation movement. The need for current switching devices and a control system requires a good estimate of the motor’s inductance profile. However, since the larger air gap makes analytical calculation difficult, this profile must be obtained by numerical methods. In this context, this work presents a linear motor of the 4 phase transverse flow type designed to move a sliding translation system of opening and closing. Robustness, simplicity of construction and reduced power are decisive in the choice of machine type. The finite element analysis (FEA) is applied in order to determine the performance, qualified by the self-inductance of phase coils and the propulsion force production capacity. The FEA is also used in the evaluation of the force ripple factor, highly present in this type of motor, besides the production of vibration and acoustic noise arising from ripple factor. Dissertação (Mestrado)

Este trabalho aplica distorções harmônicas e desequilíbrios na tensão de alimentação do motor de indução trifásico afim de analisar o comportamento das tensões e correntes diante de tais cenários, e calcula potências, distorções, fatores de potências para tais simulações no motor a vazio. Esta análise é importante visto que os motores consomem grande parte da energia elétrica gerada e esses são diretamente afetados pela má qualidade da energia. Apresenta-se as definições de desequilíbrios e distorções harmônicas, além dos aspectos normativos que regulamentam os limites aceitáveis para esses distúrbios na rede elétrica. Na sequência demonstra-se o modelo equivalente modificado do MIT diante das situações analisadas e também cita-se os efeitos que este sofre, tais como: aumento de temperatura, diminuição do rendimento e redução de vida útil. Posteriormente analisa-se alguns estudos de cálculo de potências diante de desequilíbrios e distorções harmônicas. Além disso, tem-se a correção dos parâmetros do modelo equivalente do MIT. Por fim, tem-se o detalhamento dos elementos utilizados na bancada de aquisição de dados e os resultados obtidos para cada um dos ensaios. This work applies harmonic distortions and voltage unbalances at the supply voltage of threephase induction motor in order to analyze the behavior of voltages and currents under such scenarios and calculates power, distortions and power factors for these simulations on the motor free of load. This analysis is important because the motors consume a large part of the electric energy generated and these are directly affected by the poor quality of energy. Definitions of voltage unbalances and harmonic distortions are presented, besides to the normative aspects that regulate the acceptable limits for these disturbances on the power grid. In the sequence, the modified equivalent model of three-phase induction motor is presented and the effects that it suffers are mentioned, such as increase in temperature, decrease in performance and reduction of life cycle. Then, some power calculation studies are analyzed under unbalances and harmonic distortions. Besides that, the motor equivalent model parameters are corrected. Finally, details are given of the elements used on the data acquisition bench and the results obtained for each of the tests. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Este trabalho vem contribuir para o estudo da máquina a relutância variável acionada como motor, por meio da proposta de uma plataforma de acionamento e controle de corrente para a mesma. O objetivo principal é implementar a plataforma de forma a ser modular, possibilitando alterações em sua estrutura física de forma simplificada, e por elementos robustos, a fim de suportar os testes impostos. A plataforma deverá prover a aquisição de dados com precisão e confiabilidade, além de propiciar a segurança tanto das pessoas quanto dos equipamentos ao longo dos ensaios realizados. A fim de se atingir o objetivo principal, algumas etapas intermediárias serão expostas e discutidas, tal como uma breve abordagem do princípio de funcionamento da máquina a relutância variável; a apresentação do protótipo utilizado e suas características mecânicas e elétricas; definição do conversor e implementação computacional do acionamento do motor a relutância variável 8/6. Os resultados obtidos na implementação computacional serão discutidos e confrontados com os resultados experimentais. A validação da plataforma proposta é efetuada por meio de ensaios com cargas conhecidas, verificando a atuação do controle de corrente e o comportamento da máquina para cada um destes ensaios. This work contributes to the study of the switched reluctance machine driven as motor, through the proposal of a drive system by current control. The main objective is to implement a modular system, allowing physical structure changes in a simplified mode, with robust components to support the imposed tests. The platform should provide data acquisition with precision and reliability, as well as providing security for the people and equipment during the tests performed. In order to achieve the main objective, some intermediate steps will be exposed and discussed, such as a brief approach to the operating principle of the switched reluctance machine; the presentation of the prototype used and the mechanical and electrical characteristics; definition of the system (converter) and computational simulation of switched reluctance motor 8/6 drive. The results obtained in the computational simulation will be discussed and compared with the experimental results. The validation of the proposed system is carried out by means of tests with known loads, verifying the current control act and the machine behavior for each of these tests. Dissertação (Mestrado)

A Internet das Coisas (IoT - Internet of Things) pode ser definida como a conexão entre o mundo físico e o digital, ou seja, uma rede global entre objetos de uso rotineiros, pessoal ou industrial, que possuem tecnologia embarcada capaz de coletar, transmitir e tomar decisões baseada em banco de dados. O trabalho proposto visa desenvolver e implementar um sistema de aquisição de baixo custo, seguindo as tendências da indústria 4.0, que está inserindo a IoT em ambientes industriais. Utilizando microcontroladores ESP32, do fabricante Espressif Systems, para monitorar sobrecorrente, sobretensão e temperatura alta do motor de indução trifásico. As grandezas elétricas são aquisicionadas pelo Módulo de Aquisição e Condicionamento de Sinais de Tensão e Corrente. A temperatura é supervisionada por um sensor de temperatura interno ao motor. Estes dados são lidos, processados e transmitidos por dois ESP32, e aplicando a tecnologia IoT os valores de sobrecorrente, sobretensão e temperatura alta são salvos em nuvem. Os dados são disponibilizados para visualização, em forma de gráfico, na plataforma ThingSpeak e alarmes são disparados para smartphones de usuários cadastrados, por meio do aplicativo Telegram. The Internet of Things (IoT) can be defined as the connection between the physical and the digital world, that is, a global network between everyday, personal or industrial objects that have embedded technology capable of collecting, transmitting and make database-based decisions. The proposed work aims to develop and implement a low cost acquisition system, following industry trends 4.0, which is inserting IoT in industrial environments. Using ESP32 microcontrollers from Espressif Systems to monitor overcurrent, overvoltage and high temperature of the three-phase induction motor. Electrical quantities are acquired by the Voltage and Current Signal Acquisition and Conditioning Module. The temperature is supervised by an internal engine temperature sensor. This data is read, processed and transmitted by two ESP32, and by applying IoT technology the overcurrent, overvoltage and high temperature values are clouded. Data is made available for viewing in graph form on the ThingSpeak platform and alarms are triggered for registered users' smartphones via the Telegram application. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O objetivo deste trabalho consiste em analisar o comportamento de um sistema de transferência de potência sem fios para aplicações em veículos elétricos, utilizando o princípio do acoplamento magnético. E, para alcança-lo, foi necessário construir um circuito inversor para que a bobina emissora opere em ressonância magnética com a bobina receptora. Foi elaborado uma rotina computacional para calcular o rendimento de um circuito ressonante, a partir dos parâmetros físicos e elétricos das bobinas. O protótipo consiste em energizar uma bobina plana primária e realizar a transferência indutiva para a bobina secundária, podendo ser de mesmo tamanho ou não. Resultados experimentais foram coletados, tais como, curvas de rendimento em função da distância, transferência através de barreiras metálicas e não metálicas, rendimentos em função do desalinhamento entre bobinas, carga em bateria automotiva, distâncias máximas de transferência; dentre outros. Um sistema desse tipo pode trazer muitos benefícios para aplicação no carregamento de baterias em veículos elétricos de forma prática, segura e com rendimentos satisfatórios quando realizado a transferência indutiva sem fios. The objective of this work is to analyze the behavior of a wireless power transfer system for applications in electric vehicles, using the principle of magnetic coupling. And in order to reach it, it was necessary to construct an inverter circuit so that the sending coil operates in magnetic resonance with the receiving coil. A computational routine was developed to calculate the efficiency of a resonant circuit, based on the physical and electrical parameters of the coils. The prototype consists of energizing a primary flat coil and performing the inductive transfer to the secondary coil, which may be the same size or not. Experimental results were collected, such as yield curves as a function of distance, transfer through metallic and non-metallic barriers, yields due to misalignment between coils, automotive battery charge, maximum transfer distances; and others. Such a system can bring many benefits for application in battery charging in electric vehicles in a practical way and with satisfactory yields when conducting wireless inductive transfer. Dissertação (Mestrado)

Este trabalho tem o objetivo de apresentar inovações no projeto de Geradores a Relutância Variável nas configurações 6x4 e 6x6. Foi proposta uma metodologia específica para projeto de geradores, com estudo das Influências da Saturação Magnética e das Indutâncias Mútuas. Esses estudos - quando comparados com a metodologia clássica de projeto - indicam a necessidade de haver modificações na estrutura e nas dimensões desses conversores, tendo como intuito o aumento de rendimento. Pode-se concluir que as modificações propostas provocaram um aumento significativo da saturação magnética e das indutâncias mútuas no período de excitação. Esse acréscimo na saturação, diminuirá a variação de fluxo magnético nesse período, causando a diminuição do conjugado necessário para mover o gerador. Essa diminuição de necessidade de conjugado provocou o aumento do rendimento. This paper aims to present innovations in design of a Switched Reluctance Generator in settings 6x4 and 6x6. A specific methodology for generators design is proposed, based on the study of magnetic saturation and mutual inductances influences. These studies - when compared to classical methodology design - indicate the need for modifications on structure and dimensions of these converters with the intention of increasing the efficiency. It must be concluded that the proposed modifications cause a significant increment on magnetic saturation and mutual inductances at excitation period. This saturation increasing decreases the magnetic flux variation at this moment, causing the reduction of required torque to move the generator. So, the decrease of this required torque provokes the increasing efficiency. Tese (Doutorado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This master thesis presents the study of a generation system based on switched reluctance generators. This machine presents as characteristics simple structure, mechanical robustness, wide range of speed, low cost, high starting torque and fault tolerance capability. These features make this kind of machine a viable candidate for several systems demanding variable speed. Considering applications such as isolated wind power generation, aircraft and automobiles, the output voltage control is essential since, besides the speed, the power demand tends to oscillate sharply. In this context, voltage control techniques and the need for distinct drive systems considering different rotor speeds are analyzed, of which hysteresis current regulator (below base speed) and single pulse technique (above base speed) are highlighted. For both cases, PI controllers are designed based on first order estimated models. Considering the hysteresis regulator, a sliding mode controller is designed based on state space modelling. A simulation model considering magnetic saturation is obtained from experimental data, and an experimental platform is built for drive and control of the switched reluctance machine. In this sense, the techniques performance are evaluated through simulation and experimental results. Esta dissertação apresenta o estudo de um sistema de geração de energia elétrica baseado no uso de geradores de relutância variável. É possível citar como características deste gerador a estrutura simples, ampla faixa de velocidades de operação, robustez mecânica, baixo custo e elevado conjugado de partida, o que o torna este tipo de máquina forte candidata para diversos sistemas operando com velocidade variável. Considerando aplicações industriais, automotivas, aeroespaciais e sistemas eólicos isolados, faz-se necessário regular a tensão gerada frente à variações de velocidade e de carga. Neste sentido, técnicas de controle da tensão de barramento e formas de acionamento para diferentes faixas de velocidade rotórica são analisadas, de onde destacam-se o acionamento via regulador histerese (para velocidades abaixo da velocidade base) e a pulso único (para velocidades acima da velocidade base). Para ambos os casos, controladores PI são projetados a partir da estimação de um modelo de primeira ordem. Considerando o acionamento via histerese, um controlador por modos deslizantes é projetado a partir da modelagem em espaço de estados. A análise de estabilidade deste controlador é realizada. Um modelo de simulação que considera a saturação magnética a partir de dados experimentais de magnetização é construído, bem como uma bancada experimental para o acionamento e controle da máquina de relutância variável. Desta maneira, o desempenho das técnicas é avaliado através de resultados de simulação e de resultados experimentais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O uso de máquinas a relutância variável como uma alternativa para aplicações de velocidade variável e alta velocidades tem aumentado consideravelmente devido às suas vantagens como robustez, simplicidade de construção e baixo custo. As aplicações mais frequentes nos últimos anos estão relacionadas à aeronáutica, aos veículos elétricos e híbridos e à geração de energia eólica. Este trabalho explora a teoria, funcionamento, procedimentos de projeto e análise de uma máquina a relutância variável. Uma metodologia de projeto iterativo é introduzida e utilizada para o projeto de um protótipo de 1, 25. Para a análise da máquina dois métodos são utilizados, um método analítico e a simulação computacional de elementos finitos. Os resultados obtidos por ambos os métodos são comparados. Os resultados da simulação de elementos finitos são utilizados para determinar os perfis de indutância e torque do protótipo. A saturação magnética é analisada visualmente e numericamente em quatro pontos críticos da máquina. Os dados coletados na simulação permitem a verificação do projeto e dos limites de operação do protótipo. Além disso, é analisado o comportamento das grandezas de saída (indutância, torque e saturação magnética) através da variação das dimensões físicas do motor. Finalmente, uma otimização multiobjetivo, utilizando algoritmos de Evolução Diferencial e Algoritmos Genéticos, para o projeto da máquina a relutância variável é proposta. As variáveis otimizadas são os arcos polares do rotor e do estator, e os objetivos são maximizar o torque médio, o torque médio por perdas no cobre e o torque médio por volume do núcleo. Por fim, o projeto inicial e o projeto otimizado são comparados. Variable reluctance motors have been increasingly used as an alternative for variable speed and high speed drives in many industrial applications, due to many advantages like the simplicity of construction, robustness, and low cost. The most common applications in recent years are related to aeronautics, electric and hybrid vehicles and wind power generation. This paper explores the theory, operation, design procedures and analysis of a variable reluctance machine. An iterative design methodology is introduced and used to design a 1.25 kW prototype. For the analysis of the machine two methods are used, an analytical method and the finite element simulation. The results obtained by both methods are compared. The results of finite element simulation are used to determine the inductance profiles and torque of the prototype. The magnetic saturation is examined visually and numerically in four critical points of the machine. The data collected in the simulation allow the verification of design and operating limits for the prototype. Moreover, the behavior of the output quantities is analyzed (inductance, torque and magnetic saturation) by variation of physical dimensions of the motor. Finally, a multiobjective optimization using Differential Evolution algorithms and Genetic Algorithms for switched reluctance machine design is proposed. The optimized variables are rotor and stator polar arcs, and the goals are to maximize the average torque, the average torque per copper losses and the average torque per core volume. Finally, the initial design and optimized design are compared. Dissertação (Mestrado)

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais This work is performed a study and the development of a prototype for power transfer without the use of wires. Through an air core transformer with low coupling factor and, power transmission is performed with the satisfactory level from the resonant magnetic coupling. A literature review was made of the systems of structures used for wireless power transfer. The theory of coupled modes that provides the basis for the study of wireless power transfer by resonance is presented. Inductive element having the desired characteristics for the assembly of the prototype are designed. The factors that influence the efficiency of the transmission and reception are analyzed in order to improve system performance. Such systems can have numerous future applications, such as recharge portable devices, applications in medical diagnostic equipment or implants, as well as in electric vehicles. Neste trabalho é realizado um estudo e a elaboração de um protótipo para transferência de potência sem o uso de fios. Através de um transformador com núcleo a ar e baixo fator de acoplamento, é realizado a transmissão de potência com níveis satisfatórios a partir do acoplamento magnético ressonante. Foi feito uma revisão bibliográfica das estruturas dos sistemas utilizados para transferência de potência sem fios. É apresentada a teoria de modos acoplados que fornece a base do estudo para a transferência de potência sem fios através da ressonância. São projetados os elementos indutores com as características desejadas para a montagem do protótipo. São analisados os fatores que influenciam na eficiência da transmissão e recepção, visando melhorar o desempenho do sistema. Os sistemas desse tipo podem ter inúmeras aplicações futuras, tais como recarga de dispositivos portáteis, aplicações em equipamentos para diagnóstico médico ou implantes, e também nos veículos elétricos. Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This master thesis proposes a current control technique based on sliding mode strategy and disturbance observer for high-performance drive applied to permanent magnet synchronous motors and can be extended to other systems. The combination of sliding mode control and disturbance observer applied to the current control presents the characteristics necessary to minimize the coupling between the axes, rejection of external disturbances and parametric variations. A continuous time control scheme is developed, the stability proofs are performed from the Lyapunov analysis. The performance of the propose technique is evaluates through simulation results. Moreover, this master thesis presents a discrete-time sliding mode controller combined with a discrete-time disturbance observer. The development in discrete-time enables the implementation in digital processors. The conditions of reach of the proposed controller considering the transport delay of digital implementation are still evaluated. The stability proofs of the proposed scheme are presented. Simulation results are shown. In addition, it is developed an experimental platform for drive and control of the permanent magnet synchronous motor in which the experimental results are obtained. Esta dissertação propõe uma técnica de controle de corrente baseada na estratégia por modos deslizantes e observador de distúrbios para acionamento de alto desempenho aplicada a motores síncronos de ímãs permanentes, podendo ser estendida a outros sistemas. A combinação do controle por modos deslizantes e do observador de distúrbio aplicada ao controle de corrente apresenta as características necessárias para minimização do acoplamento existente entre os eixos, rejeição a distúrbios externos e variações paramétricas. É desenvolvido um esquema de controle em tempo contínuo, são apresentadas as provas de estabilidade a partir de critério de Lyapunov. O desempenho da técnica proposta é avaliado através de resultados de simulação. Além disso, é apresentado um controlador por modos deslizantes associado ao observador de distúrbio em tempo discreto. O desenvolvimento em tempo discreto possibilita a implementação em processadores digitais de sinais. Ainda são avaliadas as condições de alcance do controlador proposto considerando o atraso de transporte da implementação digital. Provas de estabilidade do esquema proposto e resultados de simulação são apresentados. Este trabalho faz o desenvolvimento de uma bancada experimental para o acionamento e controle do motor síncrono de ímãs permanentes na qual são obtidos os resultados experimentais apresentados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis presents contributions to the sensorless vector control of Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) with nonsinusoidal back Electromotive Force (back- EMF), whose magnets are allocated on the rotor surface. The proposed technique can reduce the oscillations in the electromagnetic torque and the copper losses in the stator windings depending on the back-EMF. In order to understand the motivation of this work, the particularities that differentiate PMSMs are initially discussed. Thus, this motor can be contextualized in the development of more efficient products. In the following, two dynamic models of nonsinusoidal PMSM are derived. The first model represented in stationary reference frame is used to determine a stator current observer. This observer is expressed in discrete time and is based on high order sliding mode, specifically, in the super-twisting algorithm with a new modification, that uses variable gains for chattering minimization. The second model that is derived from a new synchronous transformation frame oriented on back-EMF vector, is used to vector control of PMSM. In addition, a selective filtering process is included in the control system, allowing to eliminate the residual chattering of the estimates of back-EMF and to implement the proposed transformation in a hybrid vector control system, which provides the sinusoidal and non-sinusoidal vector control. As result, it is possible to achieve improvements in the motor energy efficiency. In order to allow the operation at low speeds and at standstill, I-f control method is adopted with some enhancements. Among these enhancements, it can be highlighted the methodology for motor starting design and the bidirectional transition method that allows a smooth and fast transition between the control strategies. Finally, simulation and experimental results are presented to validate the theoretical developments and to demonstrate the feasibility of implementation. Esta tese apresenta contribuições ao controle vetorial sensorless de Motores Síncronos de Ímãs Permanentes (MSIP) com Força Contraeletromotriz (FCEM) não senoidal, cujos ímãs são alocados na superfície do rotor. A técnica proposta permite reduzir as oscilações no conjugado eletromagnético e, dependendo da FCEM, as perdas no cobre dos enrolamentos do estator. Para compreender a motivação deste trabalho, as particularidades que diferenciam os MSIPs são inicialmente discutidas. Desta forma, pode-se contextualizar esse motor no desenvolvimento de produtos mais eficientes. Em seguida, dois modelos dinâmicos do MSIP não senoidal são derivados. O primeiro modelo, representado no referencial estacionário , é usado para determinar um observador de corrente. Esse observador é expresso em tempo discreto e baseia-se nos modos deslizantes de ordem superior, especificamente, no algoritmo super-twisting com uma nova modificação, que usa ganhos variáveis para a minimização do chattering. O segundo modelo, obtido a partir de uma nova transformação síncrona orientada ao vetor de FCEM, é usado no controle vetorial do MSIP. Além disso, um processo de filtragem seletiva é incluído ao sistema de controle, permitindo eliminar o chattering residual das estimativas da FCEM e implementar a transformação proposta em um sistema de controle híbrido, que propicia o controle vetorial senoidal e não senoidal. Em vista disso, é possível obter o aprimoramento da eficiência energética do motor. De forma a suprir a operação em baixas rotações e na velocidade nula, o controle I-f é adotado com alguns aprimoramentos. Dentre esses aprimoramentos, destaca-se a metodologia de projeto da partida e o método de transição bidirecional, que permite a transição suave e rápida entre as estratégias de controle abordadas. Por fim, resultados de simulação e experimentais são apresentados para validar os desenvolvimentos teóricos bem como demonstrar a viabilidade de implementação.

Operation of a switched reluctance machine (SRM) as a self-excited generator is focused in this work. The investigation is supported by a thorough literature review, and uses a mathematical model that accounts for the non linearity between flux linkages and currents, a requirement to correctly represent the generator operation in the proposed mode. The method chosen to start the process of self excitation is the use of a partially charged capacitor, placed in parallel with the generator phases and also with the electrical load. This capacitor is also used to smooth the steady state D.C. generated voltage, delivered to the load. Beyond generated voltage build up characteristics, a comprehensive investigation on the generator operation, considering different primary speeds, variable primary speeds, different electrical loads, load rejection, phase loss is carried out. Generated voltage and current control circuits to accommodate the generator operation are proposed. A bench test platform developed to verify the theoretical finds is used and all the results obtained in the work are experimentally checked and found to be in good accordance with theoretical expectations. As a whole, the investigation shows that the use of SRM as a self excited generator is rather feasible and does not require unattainable circuitry or control strategies. Este trabalho apresenta uma contribuição ao estudo sobre o comportamento do Gerador a Relutância Variável operando no modo autoexcitado (GRVA). É realizado um extenso levantamento bibliográfico sobre o GRVA, e apresentada modelagem matemática que inclui a saturação do circuito magnético para representar a máquina. Aspectos da operação dinâmica da máquina a relutância variável trabalhando como gerador autoexcitado são explorados. Um capacitor carregado com uma tensão inicial, instalado em paralelo com a carga é utilizado como fonte de energia para iniciar a excitação da máquina. O gerador entrega à carga tensão e corrente CC. É feita uma análise do gerador com a aplicação de cargas resistivas em seus terminais e verificado teste de escorvamento para diferentes cargas com o gerador operando em malha aberta e posteriormente é feito o controle de corrente de fase e tensão gerada do gerador. Todo o conjunto é simulado utilizando o ambiente MatLab/Simulink® e resultados experimentais são incluídos para validar as discussões apresentadas. Doutor em Ciências

This work shows a contribution to the study of the Switched Reluctance Machine driven as a generator to connecting in the grid to inject active power. The main objective is show the Switched Reluctance Generator behavior under various operating conditions, as well as the development of an electronic converter to connect it to the low voltage grid. Thus, it presents a mathematical model for the Switching Reluctance Generator which includes the magnetic circuit saturation and a computational model for analyzing steady state and transient. Also it is presented a strategy of generated voltage control by the magnetization angle variation acting only in the top switch of the Asymmetrical Half Bridge converter. An intermediate stage was added in the switching control strategy to reduce the energy amount provided by the excitation source and get better utilization of electromechanical conversion. A detailed description of the control system equations of the DC-AC stage, PLL algorithm and design of injected current compensator are presented and discussed. Finally, it was constructed in laboratory a experimental platform for verification of the theoretical and simulation. Este trabalho apresenta uma contribuição ao estudo da Máquina a Relutância Variável acionada como gerador para conexão com rede elétrica e injeção de potência ativa. O objetivo principal é apresentar o comportamento do Gerador a Relutância Variável sob diversas condições de operação, bem como o desenvolvimento de um conversor eletrônico para a sua conexão a rede elétrica de baixa tensão. Assim, é apresentado um modelo matemático para o Gerador a Relutância Variável que contempla a saturação do circuito magnético e um modelo computacional para análise em regime permanente e transitório. Também é apresentada uma estratégia de controle da tensão gerada através da variação do ângulo de magnetização atuando apenas nas chaves superiores do conversor assimétrico Half Bridge. Uma etapa intermediária no chaveamento foi acrescentada à estratégia de controle para diminuir a quantidade de energia fornecida pela fonte de excitação e obter melhor aproveitamento da conversão eletromecânica. Uma descrição detalhada do equacionamento do sistema de controle do estágio CC-CA, do algoritmo de PLL e projeto do compensador da corrente injetada são apresentados e discutidos. Por fim, construiu-se uma plataforma experimental em laboratório para a comprovação dos estudos teóricos e de simulação. Doutor em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais Permanent magnet motors possess high efficiency and can be commercially competitive. The main purpose of this paper is to describe a low cost four-switch brushless dc motor drive with compensated direct current controlled our compensated hysteresis strategy. The description of the mathematical model is used in the computational simulation models to four-switch and six-switch. These results are here compared in an experimental model of drive, where the six-switch PWM drive and hysteresis drive is compared to the four-switch hysteresis compensated drive and not compensated drive. The four-switch drive has the potential to reduce costs by reducing the number of switches in commercial, industrial and residential applications. Motores a ímãs permanentes possuem alta eficiência e podem ser competitivos comercialmente em aplicações de potência fracionária. O trabalho apresenta uma estratégia de acionamento a quatro chaves para o motor de corrente contínua a ímãs permanentes sem escovas, com uma estratégia a baixo custo por meio do controle direto de corrente, ou controle por histerese compensado. A descrição do modelo matemático é utilizada em modelos de simulação computacionais a quatro e a seis chaves. Estes resultados são aqui comparados em um modelo experimental de acionamento, onde o acionamento a seis chaves por PWM e histerese é comparado à estratégia a quatro chaves por histerese compensado e por histerese não compensado. O acionamento a quatro chaves tem potencial para redução de custos devido à redução do número de chaves e pode ser utilizado em aplicações comerciais, industriais e residenciais. Mestre em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais The subject of this work is to present a switched reluctance machine (SRM) driver capable to control the machine as a motor/generator, allowing the transition between the modes of operation while the machine is running. Six load voltage control strategies developed to be applied to a switched reluctance generator was performed, being that the strategies AV2, TBV, Hi and AMV was developed in this work. A SRM simulation able to represent the machine as a motor/generator was implemented and the results were presented. The load voltage strategies showed in this work was tested through simulations and the results indicate that the strategy called AV2 was the best one, providing a better utilization of the mechanical energy from the primary source. A prototype was assembled and the experimental results showed that the machine operating as a motor/generator operate properly and all the load voltage strategies developed to switched reluctance generator kept the voltage on the load near to the reference value confirming the functionality of the strategies. Este trabalho tem como objetivo apresentar um acionamento capaz de controlar a máquina de relutância variável (MRV) como motor e como gerador, permitindo a transição de modos de operação com a máquina girando. Seis técnicas de controle de tensão na carga da máquina operando como gerador foram implementadas, sendo que as estratégias AV2, TBV, Hi e AMV foram desenvolvidas neste trabalho. Uma simulação da MRV capaz de representar a operação da máquina como motor/gerador foi desenvolvida e os resultados foram apresentados. As estratégias de controle de tensão na carga foram testadas através de simulação. Comparações entre as mesmas demonstraram que a estratégia AV2 é a que proporciona maior geração de energia elétrica, demonstrando a importância de se adicionar uma etapa de roda livre ao controle do GRV com malha fechada de tensão na carga. Um protótipo foi construído no laboratório utilizando DSP e resultados experimentais da máquina operando como motor/gerador, assim como resultados do GRV controlado pelas estratégias de controle de tensão na carga foram apresentados e discutidos. Doutor em Ciências

The comparative study of electric machines has been in vogue due to the growing demand for electromechanical converters with maximum possible efficiency. In this scene, the switched reluctance machines have proven to be competitive. Comparative studies between these machines and the already established induction machines can be easily found in the scientific literature, but studies on various configurations of the switched reluctance machines are not as widespread. This work shows the modeling, simulation and presents a comparative study of two Switched Reluctance Machines to a single phase (6x6) and three-phase (6x4). Aspects of construction, drive and efficiency are discussed in order to find advantages and disadvantages to each of these machines. O estudo comparativo entre máquinas elétricas tem estado em voga devido à crescente busca por conversores eletromecânicos com o máximo de rendimento possível. A busca de equipamentos com o rendimento maior tem sido uma alternativa á escassez energética. Neste cenário, as Máquinas a Relutância Chaveadas têm se mostrado competitivas. Estudos comparativos entre estas máquinas e as já estabelecidas máquinas de indução podem ser encontrados facilmente na literatura científica, porém, estudos sobre as várias configurações das Máquinas a Relutância Chaveadas não são tão difundidos. Este trabalho mostra a modelagem, projeto, simulação, construção e apresenta um estudo comparativo de duas Máquinas a Relutância Chaveada, uma monofásica (6x6) e outra de três fases (6x4). Aspectos construtivos, de acionamento e de rendimento são discutidos com o objetivo de se encontrar vantagens e desvantagens em cada uma dessas máquinas. Mestre em Ciências

This work develops a new mathematical model to the salient pole synchronous machines (SPSM), based on the abc reference system. The model considers the distribution and coil pitch factors of windings and develops a new function for the variable air gap, generated by the curvature of the polar mass. As a result, the development of the modeling takes into account the spatial harmonic components of: magneto motive force MMF(θ)h, electromagnetic ux density B(θ)h and variation function of the air gap g(θ)h. It is also proposed a new and simplied methodology using the locked rotor tests, volt-ampere method, to obtain the constants of the synchronous machine design, which allow the calculation of the modeling parameters and the terminals magnitudes determination. It presents also contributions to traditional methods of obtaining experimental inductances, using the locked rotor test. Yet it develops procedures and makes the simulation of the main temporal magnitudes at the generator terminals connected to the utility grid, electrical torque, speed, voltage and current. The model is validated through the theoretical and experimental confrontation of inductances, and also of the voltages and currents at the generator terminals connected to the utility grid. Este trabalho desenvolve uma nova modelagem matemática para as máquinas síncronas de polos salientes (MSPS), baseada no sistema abc de referência. A modelagem considera os fatores de distribuição e de passo de bobina dos enrolamentos e desenvolve uma nova função para o entreferro variável, gerado pela curvatura da sapata polar. Como conseqüência o desenvolvimento da modelagem leva em consideração os componentes harmônicos espaciais de: força magneto motriz FMM(θ)h, densidade de uxo eletromagnético B(θ)h e da função de variação do entreferro g(θ)h. É também proposto uma nova e simplificada metodologia a partir dos testes de rotor bloqueado, método volt-ampere, para a obtenção das constantes de projeto da máquina síncrona que possibilitam os cálculos dos parâmetros da modelagem, bem como a determinação das grandezas terminais. Também apresenta contribuições aos métodos tradicionais de obtenção de indutâncias experimentais, a partir dos testes de rotor bloqueado. Ainda desenvolve os procedimentos e faz a simulação das principais grandezas temporais nos terminais do gerador conectado à rede da concessionária: torque elétrico, velocidade, corrente e tensão. A modelagem é convalidada através das confrontações teórico-experimental das indutâncias, e também dos resultados de correntes e tensões nos terminais do gerador conetado à rede da concessionária. Doutor em Ciências

Researches conducted by energy distribution companies on several industry segments showed that about 30%of inductionmotors are operating undersized, i.e. with less than 70%of the rated load. Under these conditions induction motors have low efficiency. Due to the characteristics of industrial processes, traditional methods of efficiency and operation analysis can not be used. In order to meet the requirements of these applications, several methods have been proposed. Most of these methods require only the measurement of voltages, currents and in some cases rotor speed. Often these methods estimate, using different techniques, the shaft torque and calculate the output power and efficiency. The purpose of this study is to develop and implement a real-time method to monitor operating conditions and efficiency of induction motors operating at steady state. The proposed method, by means of measured three-phase voltages and currents and the equivalent circuit of the machine, estimates the shaft torque and speed. Then, based on these estimations, calculates the power output and efficiency. The machine equivalent circuit is estimated by an iterative algorithm that uses only the machine nameplate data and the stator resistance. According to present tendencies a wireless system was developed were a central computer can monitor in real time the efficiency and the operational conditions of one or more motors in a industrial plant. This document presents the theoretical development of the proposed method and the results of computer simulations under different situations. Finally it presents an experimental implementation of the method where its performance is evaluated for different motors. Estudos realizados por companhias de distribuição de energia elétrica em diversos segmentos do setor industrial demonstraram que aproximadamente 30% dos motores de indução trifásicos analisados estavam operando subdimensionados, ou seja, com uma carga inferior a 70% da carga nominal. Nestas condições motores de indução apresentam baixo rendimento. Devido `as características dos processos industriais os métodos tradicionais de análise de eficiência e operação não podem ser utilizados. Para atender aos requisitos destas aplicações foram propostos diversos métodos que necessitam apenas das tensões, correntes e em alguns casos da velocidade do rotor. De maneira geral estes métodos estimam, utilizando diferentes técnicas, o conjugado no eixo da máquina e calculam a potência de saída e a eficiência. A proposta deste trabalho é desenvolver e implementar um método de monitoramento em tempo real das condições operacionais e da eficiência de motores de indução trifásicos operando em regime permanente. O método proposto estima, utilizando valores medidos das tensões e correntes trifásicas e o circuito equivalente da maquina, o conjugado e a velocidade do eixo e, com base nestas estimativas, calcula-se a potência de saída e a eficiência. O circuito equivalente da máquina é estimado através de um algoritmo iterativo que utiliza apenas os dados de placa da máquina e a resistência do estator. Acompanhando tendências atuais, desenvolveu-se também um sistema com comunicação sem fio (wireless) onde, a partir de um computador central pode-se monitorar em tempo real as condições operacionais e a eficiência de um ou mais motores de uma planta industrial. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento teórico do método proposto bem como o resultado de simulações computacionais sob diferentes situações. Por fim este trabalho apresenta uma implementação experimental do método onde seu desempenho é analisado em diversos motores. Mestre em Ciências

This paper presents an analysis study about the induction machine, operating as a generator directly connected to the electrical power grid. One of the main characteristics of the generator operation is to work in zones distinctly from its rated power, supplying a variety of loads with different demands of power. When working on the saturation region, the induction machine generates currents with distorted wave forms. Intending to analyze such distortions, an adequate computational modeling, considering the magnetic saturation effects is employed. Experimental tests were made with a real machine for theoretical-experimental confrontation purposes. For a wide band of operation and generate power, the currents, voltages, power and velocity are analyzed, revealing the operational characteristics of the generator induction machine. Este trabalho apresenta um estudo sobre a máquina de indução, operando como gerador ligado diretamente à rede de distribuição de energia elétrica. Uma das principais características de operação de um gerador, é trabalhar fora da faixa de sua potência nominal, alimentando cargas que frequentemente mudam, demandando diferentes valores de potência do gerador e, portanto, obrigando o mesmo a trabalhar em pontos de operação distantes da nominal. O gerador de indução, quando operando na região de saturação, gera correntes com formas de ondas distorcidas. No intuito de analisar tais distorções, é empregada uma modelagem computacional adequada da máquina, a qual inclui a saturação magnética. Desequilíbrios na alimentação e testes foram realizados numa bancada, com o gerador operando em diversas faixas de potência, para fins de confrontação teórico experimental. Para cada faixa de potência gerada, as correntes, tensões, potências e velocidades são analisadas, revelando as características de operação da máquina de indução empregada como gerador. Mestre em Ciências

This work analyzes the technical and regulatory aspects of reactive power supply ancillary services of synchronous generators and emphasizes that Brazilian rules do not stimulate investment for such purpose and this can degrade those resources. In the past, the electrical worldwide systems used to have a centralized public utility which could include the several costs of ancillary services for electric power supply in the final price of the active power. After the privatization and decentralization, there was the need to separate the remuneration for such ancillary services. The resolutions that rule the reactive power ancillary services of synchronous generators have developed differently in several world regions. In this work it is given a description of some foreign legislations, which are then compared to the present status of Brazilian legislation, indicating its questionable aspects. Indexes are proposed for the selection of generators to supply reactive power to some electric power system area. It is proposed the public bidding for this supply taking the indexes into account, so that the price will depend on the effective contribution of each generator to the voltage rise in the target area. Simulations are presented to illustrate that the generator choice depends upon its localization. The need of reactive power support to improve the security margin against voltage collapse can be indicated by several indexes. It is shown a top view of the voltage collapse proximity indicators, with emphasis to those selected for this work. Often the electric power system operators call for a reactive power redispatch for voltage profile correction, but it is shown that sometimes this procedure leads to a risk of voltage collapse The dynamical behavior of synchronous generator excitation systems is very important for the reactive power dispatch. The operator requirements from Brazil, USA and Canada are presented. It is proposed a technique for voltage regulator adjustment, taking into account the time constant, the regulation error and the ceiling voltage, with illustration by means of simulations. Concluding, several suggestions are synthesized towards the evolution of the legislation concerning to reactive power supply from synchronous generators. Este trabalho analisa aspectos técnicos e regulatórios dos serviços ancilares de geradores síncronos, no suporte de reativos, e enfatiza que as regras brasileiras, não estimulam investimentos para atender este propósito e isto pode degradar estes recursos. No passado, os sistemas elétricos ao redor do mundo costumavam ser serviços públicos centralizados que podiam incluir os vários custos dos serviços ancilares do suprimento de energia elétrica no preço final da potência ativa. Após a privatização e a descentralização foi necessário separar a remuneração dos serviços ancilares. As resoluções que regem o serviço ancilar de potência reativa dos geradores síncronos vêm evoluindo de modo diferente, em diversas regiões do mundo. Neste trabalho são descritas algumas legislações estrangeiras, as quais são comparadas com a legislação brasileira, indicando aspectos polêmicos da mesma. São propostos índices para seleção de geradores, destinados ao suporte de reativos para certa área do sistema elétrico. É proposta a concorrência pública para este fornecimento, considerando estes índices, de modo que o preço dependerá da contribuição efetiva de cada gerador para a elevação da tensão na área alvo. São apresentadas simulações ilustrando que a escolha do gerador depende de sua localização. A necessidade de suporte de potência reativa para melhorar a margem de segurança, em relação ao colapso de tensão, pode ser indicada por diversos índices. É apresentada uma visão panorâmica dos indicadores de proximidade do colapso de tensão, com ênfase nos utilizados neste trabalho. Freqüentemente os operadores de sistemas elétricos solicitam um re-despacho de potência reativa para corrigir o perfil de tensão, mas é mostrado que algumas vezes este procedimento leva a um risco de colapso de tensão. O comportamento dinâmico dos sistemas de excitação dos geradores síncronos é de fundamental importância durante o despacho de potência reativa. São apresentadas exigências de operadores do Brasil, dos EUA e do Canadá. É proposta uma técnica para ajuste do regulador de tensão, considerando a constante de tempo, o erro de regulação e a tensão de teto ( ceiling voltage ), com ilustração por meio de simulações. Finalizando, foram sintetizadas diversas sugestões para a evolução da legislação pertinente ao fornecimento de potência reativa pelos geradores síncronos. Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Distinct matters related to power quality challenges represent areas of growing interest for the electric engineering community. By considering the subject of power supply with quality and reliability, the continuity of the supply appears as a very important task to be fulfilled. As a matter of fact, the occurrence of failures in components and installations, in special those related to the misoperation of power cables, emerges as a relevant point to be tackled. Within this context arises the insulation degradation due to the known water treeing phenomenon. This effect has been reported as a cause for precocious aging of insolated cables and subsequent impacts upon the dielectric material. Focusing this subject, this thesis aims at presenting a methodology for estimating the actual operational conditions of a given insolated cable by the loss current analysis. The technique here employed is based upon time domain representation and uses the Fourier decomposition for identification of the harmonic contribution of the currents involved from which the methodology provides means to establishing insulation state indicators so as to forecast information about the cable life expectance conditions. As questões relacionadas com a qualidade de energia elétrica representam, efetivamente, desafios crescentes para o setor de engenharia elétrica. No que tange ao fornecimento de energia com qualidade e confiabilidade, um dos problemas consiste na descontinuidade não programada de suprimento devido à ocorrência de falhas em componentes diversos da instalação, particularmente aqueles relativos a defeitos na isolação nos cabos de potência, responsáveis por parcela significativa das paradas intempestivas de consumidores. Uma das principais causas da degradação da isolação de cabos de potência é o fenômeno conhecido por arborescência que provoca o envelhecimento precoce dos cabos elétricos, podendo ocasionar o rompimento do material dielétrico. Diversos estudos e métodos diagnósticos vêm sendo desenvolvidos para a detecção dessas arborescências objetivando informações sobre o nível de degradação da camada isolante, com vistas à manutenção preventiva e acompanhamento da sua vida útil, predizendo as condições operacionais da isolação dos cabos elétricos. É nesse contexto que se insere a presente tese, a qual está direcionada para o desenvolvimento de uma metodologia para identificação do estado operacional da camada isolante, com base na análise da corrente de fuga. A técnica de modelagem empregada fundamenta-se no domínio do tempo e utiliza a decomposição em séries de FOURIER para identificação da contribuição harmônica dos sinais envolvidos no estudo, a partir dos quais são determinados indicadores de estado que são utilizados para o estabelecimento de diagnósticos da severidade da degradação. Doutor em Ciências

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais This work investigates the operation of three phase induction motors in field weakening and high speed regions. Maximum torque per ampère is imposed by using an indirect vector control strategy. Mathematical models that accounts for magnetic saturation is used for simulations and adjustment of controllers used in control algorithm. The driving structure is characterized by the use of VSI static converter with sinusoidal PWM switching strategy and a vector control technique based on orthogonal components. Investigations resulted in the development of a digital simulation using discrete models that turned out generic and reliable, and an experimental system using a low cost fixed point DSP platform. Simulated and experimental results are included and shown the robustness and efficiency of the proposed control system under different operating conditions. O presente trabalho tem como objetivo estudar a operação de motores de indução trifásicos em regime de enfraquecimento de campo e altas velocidades, com maximização do conjugado por ampère, através de um sistema de acionamento vetorial. Para tanto, foi utilizado uma modelagem matemática completa, por fase, que emprega o conceito de função harmônica magnética e considera as componentes, fundamental e de terceiro harmônico do fluxo de entreferro. A estrutura de acionamento caracteriza-se pela utilização de um inversor de tensão PWM senoidal e da técnica de controle vetorial, esta baseada em componentes ortogonais. A evolução do trabalho resultou no desenvolvimento de uma plataforma de simulação computacional baseada em modelos discretos que é bastante genérica e confiável, e um sistema experimental utilizando um processador digital de sinais de baixo custo com aritmética de ponto fixo. Os resultados de simulação e experimentais que avaliam a eficiência do sistema de controle proposto sob diversas condições de operação e efeitos de dessintonia são apresentados e apontam para robustez do método. Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents the Direct Torque Control technique applied to three-phase cage induction motors. A comparison of two strategies to achieve torque control is made, involving the traditional and discrete space vector modulation techniques. The philosophy of direct torque control is presented. Digital simulations were carried out for the motor operating in several different conditions. A sensorless speed control under direct torque control is achieved. Practical work was developed with basis on digital techniques. All the control strategies were carried out using a fixed point DSP platform. Experimental and simulation results are presented and compared. Este trabalho apresenta a técnica de Controle Direto de Conjugado aplicado a motores de indução trifásico. Uma comparação entre duas estratégias de controle direto de conjugado é realizada, envolvendo as técnicas de controle direto de conjugado tradicional e modulação discreta de vetores espaciais. A filosofia de controle direto de conjugado é apresentada. Simulações digitais foram realizadas para o motor operando em diversas condições de operação. Um controle de velocidade sem sensor mecânico com controle direto de conjugado é realizado. O trabalho prático foi desenvolvido com base em técnicas digitais. Todas as estratégias de controle foram realizadas usando plataforma em ponto fixo DSP. Resultados de simulação e experimentais são apresentados e comparados. Mestre em Ciências

This work presents a study for torque ripple reduction in switched reluctance motors. The work explores two strategies for torque ripple minimization, angle setting and current profile control. The strategy devised for torque ripple reduction is explained with help of diagrams which comprise the machine, the converter, power supply, current controller and torque controller. The system is simulated using MATLAB/SIMULINK/SIMPOWERSYSTEM® environment and the results are presented and discussed. An electronic board able to deliver instantaneous torque estimation was assembled and experimental results using this device are included. O presente trabalho apresenta um estudo detalhado para reduzir as oscilações de conjugado de um motor à relutância variável. O trabalho explora duas estratégias para reduzir essas oscilações: ajustes dos ângulos de chaveamento e controle do perfil de corrente. As representações por diagrama de blocos do sistema para minimizar as oscilações são apresentadas, compreendendo a máquina propriamente dita, a fonte de suprimento de corrente alternada, controlador de corrente e controlador de conjugado. O conjunto completo foi simulado em ambiente MatLab/Simulink/Simpowersystem® e os resultados são apresentados e discutidos. Uma placa de controle foi implementada a fim de viabilizar a construção de um estimador de conjugado. A placa utiliza um microcontrolador de baixo custo e permite estimar o perfil do conjugado de motores à relutância variável de três fases. Mestre em Ciências

The switched reluctance generator emerged as an alternative generator and grew in interest among the scientific community during the last decade. It has a simple construction and comes up as a competitive option when one deals with variable speed applications and also when power electronics is required. Nowadays the most aimed applications are the aircraft applications, hybrid or electric vehicles and wind power. This machine has a doubly salient structure without copper in the rotor. The coils are concentrated in the stator poles. Thus, there is low copper and iron consumption and, because of it, this machine is closer to the modern environmental requirements. The switched reluctance generator driving uses power electronics and needs continuous information about the rotor position to drive properly the switches of the phases. The optimal design for this machine is still been established from the experimental results. Many operational details are under investigation. The machine has two different electrical circuits: one for the excitation and other when the load is fed. It is possible to insulate those two circuits and because of this it is also possible to reduce the electronic switches count. This work is helpful to understand how the SRG works. To get it the goals were to build a mathematical model for this machine and to simulate its operation. And than to know how it dynamically conducts. A prototype was constructed and used to test some driving circuits with it. Also it is presented an extensive comparative study. With this all this work presents a contribution for the development of this kind of machinery. O gerador a relutância chaveado despertou interesse crescente na comunidade científica na última década. Esta máquina elétrica caracteriza-se por sua simplicidade construtiva e tem sido apresentada como uma alternativa competitiva quando é requerida eletrônica de potência, como ocorre nas aplicações em que a velocidade é continuamente variável. As aplicações mais visadas atualmente estão relacionadas à aeronáutica, aos veículos elétricos ou híbridos e à energia eólica. A máquina tem estrutura em dupla saliência, não tem enrolamentos no rotor e as bobinas do estator estão concentradas. Por isto consome menos cobre e aço e é vista como uma máquina elétrica mais próxima dos requisitos ambientais modernos. Seu acionamento necessita de eletrônica de potência e de informação contínua da posição do rotor, para estabelecer os instantes de energização das fases, para gerar energia elétrica. A técnica de projeto de geradores a relutância chaveados está se consolidando a partir de resultados experimentais. Mas vários aspectos operacionais estão sob investigação. O circuito elétrico do gerador a relutância chaveado tem duas malhas elétricas, uma durante a excitação e outra durante a geração. Seu acionamento pode utilizar conversores com contagem reduzida de chaves semicondutoras. O presente trabalho ajuda a compreender o funcionamento do gerador a relutância chaveado e a sua modelagem matemática. Simulações são apresentadas para detalhar a dinâmica das suas partes. Um protótipo foi construído e usado para ajustar os circuitos de acionamento e realizar estudos experimentais, e com isto contribuir para o desenvolvimento desse tipo de máquina elétrica. Doutor em Ciências

This paper presents a study of the Direct Torque Control (DTC) based in the traditional technique. It used Switching Tables to drive the electronic converter that feeds the induction motor. Speed control is achieved. Two switching strategies are studied, one that only allows operation in two quadrants and other for four quadrants. Simulation of a complete system is implemented and the results are shown and discussed. Some preliminary experimental results are included in the work. The practical implementation of the DTC is accomplished in a digital signal processor (DSP). Este trabalho apresenta um estudo do controle direto de conjugado (DTC) técnica tradicional, baseado em tabelas de chaveamento para acionamento de motor de indução sob velocidades controladas. Duas estratégias de chaveamento são estudadas, uma que permite operação em dois quadrantes e outra em quatro quadrantes. A simulação de um sistema completo é executada e os resultados são mostrados e discutidos. O controle total e excelente da velocidade é conseguido. São apresentados resultados de simulações e resultados experimentais preliminares do sistema implementado. A implementação prática do DTC é realizada utilizando processador digital de sinais (DSP). Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work shows and compares three different flux estimator algorithms developed for use in high-performance sensorless ac motor drives. The first algorithm uses a low pass filter with a very low cut off frequency to integrate the back electromotive force (emf). The second one uses a high pass filter to remove the offset present in the signal before it s integration. The third algorithm uses current and voltage model to estimate the flux of induction motor. These algorithms can be used to accurately measure the motor flux including magnitude and phase angle over a wide speed range. The performance of the algorithms is investigated, compared, and verified using simulation and experimental tests. Este trabalho tem como objetivo apresentar uma comparação entre três algoritmos estimadores de fluxo estatórico diferentes. Estes algoritmos foram desenvolvidos para serem usados no projeto de acionamentos de alto desempenho, sem sensor de velocidade, para motores de indução. O primeiro algoritmo adotado utiliza um filtro passa baixa com uma freqüência de corte baixa para resolver a integração. O segundo algoritmo usa um filtro passa alta para retirar o offset do sinal de entrada do integrador puro. O terceiro algoritmo é um algoritmo híbrido que utiliza os modelos de tensão e corrente em paralelo para estimar o fluxo. Os algoritmos estimam fluxo estatórico em uma ampla faixa de freqüência de funcionamento do motor de indução e foram implementados na forma de simulação e experimentalmente para comparar o funcionamento dos mesmos em diferentes velocidades de operação do motor. Mestre em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work has for motive to obtain the project and build of an assymmetrical three-phase induction generator connected to single-phase supply system, in order to be used in rural areas. This equipment has been presented as a better alternative in relation the others proposed more commercialized at the moment, due to its robustness, low cost, less maintenance requirements and excellent performance. Firstly, in the theoric part concerned to the system it is presented a mathematical representation, frequency domain mathematical model, whose equations are performed in function of an unbalance factor in order to obtain balance three-phase voltages in the system. Then, some simulations are performed in the simulator that was developed in the Microsoft Excel program. From these implements, it is carried out study cases to prove the assymmetrical three-phase induction generator use potentialities. A prototype is projected and built, which experimental results are compared to the computer result. O objetivo deste trabalho é obter o projeto e a construção de um gerador de indução trifásico assimétrico conectado a um sistema de distribuição de energia elétrica monofásica; visando aplicá-lo em áreas rurais. Este dispositivo, em face de sua robustez, baixo custo, menores requisitos de manutenção e bom desempenho, consiste numa alternativa bastante atrativa em relação às outras propostas existentes atualmente. O estudo teórico inicia-se através da elaboração de uma modelagem matemática para o sistema, no domínio da freqüência, cujas equações são colocadas em função de um fator indicativo do nível de desbalanceamento, visando à obtenção de tensões balanceadas na carga. Para tanto, a modelagem matemática elaborada é implementada num simulador desenvolvido no programa Microsoft Excel. A partir desta implementação, são efetuados estudos de casos no sentido de evidenciar as potencialidades do gerador assimétrico conectado a cargas rurais. Os trabalhos computacionais são devidamente validados à luz de resultados experimentais extraídos de um protótipo de equipamento concebido, projetado e construído para fins deste trabalho. Mestre em Ciências

This work describes a micro controlled-based device for over current protection and online monitoring of induction motor operation, able to replace with some advantages the traditional over current thermal relays. It allows real time monitoring of induction machine currents and over current protection, with programmable current x time characteristic. The typical current x time thermal relay curve can be easily programmed in this device and both the curve and setting points of operation can be altered online with the motor in operation. The device has a network communication interface for remote control and operation monitoring in a remote PC. Due to the programmable characteristic, the hardware can be used for different ranges of motor sizes and rated powers. The work shows details of design and programming, and presents experimental results obtained with a prototype developed in laboratory. Este trabalho apresenta uma solução para o monitoramento em tempo real das correntes de um motor de indução juntamente com proteção contra sobre correntes, com curva corrente x tempo programável. A idéia principal é mostrar um equipamento baseado em tecnologia digital para proteção contra sobrecorrente para motores de indução capaz de substituir com vantagens os relés bimetálicos. A curva típica de operação de qualquer relé bimetálico pode ser facilmente programada neste dispositivo inteligente inclusive em tempo real e com o motor em funcionamento. O equipamento incorpora uma interface para comunicação em rede que possibilita o acionamento remoto do motor via PC e ainda a monitoração das condições de carga. Com a reprogramação deste relé inteligente, facilmente um mesmo dispositivo pode ser utilizado para controlar motores de diferentes potências ou carga nominal. Assim pode-se substituir o motor sem haver a necessidade de se substituir o sistema de proteção. O trabalho descreve ainda os detalhes do projeto do equipamento e apresenta resultados experimentais obtidos com um protótipo desenvolvido em laboratório. Mestre em Ciências

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work presents a study and implementation of a torque estimator for three phase induction motors. Estimation is made from input voltages and currents and stator phase resistance is the only motor parameter needed. Torque estimation is obtained from stator flux estimation. This requires the integration of the phase counter electromotive force. An integration method able to avoid drifting and errors due to initial conditions is chosen and implemented. Torque estimator is implemented using a DSP board so that real time operation is possible. Experimental and simulated results are presented and found to be in good agreement. A proposta deste trabalho é a implementação de um método de estimação do conjugado eletromagnético de motores de indução trifásicos, a partir de amostras de correntes e tensões trifásicas obtidas nos terminais da máquina, sendo que o único parâmetro do motor de indução trifásico a ser utilizado é a resistência estatórica. Para estimar o conjugado é necessário estimar o fluxo. O principal problema em relação à estimação do fluxo é a integração do sinal. Algumas propostas para estimação do fluxo foram estudadas, e dentre estas uma foi escolhida. Para digitalização do método de integração escolhido foi utilizado o Processador Digital de Sinais. O algoritmo implementado é apresentado detalhadamente em todos os seus blocos. São apresentados resultados de simulações e resultados experimentais do sistema implementado, tais como diferentes valores de carga e aplicação e retirada de carga. Mestre em Ciências