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Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2020-04-02T02:30:09Z No. of bitstreams: 1 888959.pdf: 1660633 bytes, checksum: 759b47527fe4a6fde8a9c06452e2a0d3 (MD5) Made available in DSpace on 2020-04-02T02:30:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 888959.pdf: 1660633 bytes, checksum: 759b47527fe4a6fde8a9c06452e2a0d3 (MD5) Previous issue date: 2018-03 Em aplicações de transporte de fluídos (petróleo e derivados) entre refinarias e terminais, assim como para funcionamento de plantas industriais, são empregadas bombas para deslocamento dos produtos. Com a importância da continuidade operacional destas bombas, torna-se cada vez mais relevante prevenir e detectar falhas precocemente, a fim de evitar perda de produção e diminuir custos de manutenção. Uma das falhas de maior impacto destrutivo em bombas centrífugas é a cavitação, fenômeno em que a pressão é reduzida ao valor da pressão de vapor do líquido na temperatura de operação. Dentre as ferramentas existentes para detecção deste fenômeno tem-se o Método de Análise de Assinatura do Torque de Carga (Load Torque Signature Analysis – LTSA). Este método utiliza a análise espectral do torque desenvolvido pela carga, obtido a partir dos sinais elétricos do motor e da velocidade mecânica medida, por meio da relação entre falhas mecânicas das cargas acionadas e respectivas frequências naturais. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo a aplicação de métodos de estimação da velocidade mecânica de motores de indução sensorless, obtida com base no modelo da máquina e nos sinais elétricos do motor, visando à estimação do torque de carga. Caso factível, esta aplicação permite a utilização do Método LTSA para determinação do fenômeno de cavitação em bombas centrífugas acionadas por motores de indução sem controle de velocidade e sem a instalação de um sensor de posição ou de velocidade. In fluid (oil and oil by-products) transportation between refineries and terminals, as well as for industrial plant processes, pumps are used to move the fluids. With the importance of the operational continuity of these pumps, early failure detection and prevention becomes increasingly relevant in order to avoid production losses and decrease maintenance costs. One of the failures of greater destructive impact on centrifugal pumps is cavitation, a phenomenon in which the pressure is reduced to the value of the vapor pressure of the liquid at the operating temperature. Among the existing methods for the detection of this phenomenon is the Load Torque Signature Analysis Method (LTSA). This method uses spectral analysis of the torque developed by the load, obtained from the electrical signals of the motor and the mechanical speed, and based on the relationship between load mechanical failures and their natural frequencies. In this context, the present work aims at the application of sensorless speed estimation methods for induction motors, based on the machine model and electrical signals, in order to estimate the load torque. If feasible, this application allows the use of the LTSA method for the determination of the cavitation phenomenon in centrifugal pumps driven by induction motors without speed control and without the installation of a position or a speed sensor.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-01-10T14:09:49Z No. of bitstreams: 1 866182.pdf: 2803474 bytes, checksum: 99e03128a1af3e9c0ceba4849d354a93 (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-10T14:09:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 866182.pdf: 2803474 bytes, checksum: 99e03128a1af3e9c0ceba4849d354a93 (MD5) Previous issue date: 2017-07 A ocorrência de um curto-circuito próximo a fontes geradoras pode submeter o sistema elétrico, na vizinhança das mesmas, as correntes fortemente assimétricas. Em plataformas marítimas de produção, a referida assimetria, associada a outras condições específicas, favorece o surgimento do fenômeno conhecido como “Zeros Atrasados” na corrente de curto-circuito, que pode provocar estresse térmico no disjuntor que está tentando interromper o defeito. Este trabalho tem como objetivo analisar o fenômeno “Zeros Atrasados” e suas consequências em um sistema elétrico típico de plataformas marítimas de produção. Inicialmente, um gerador de 25 MW, 13,8kV foi modelado, com a utilização do método de elementos finitos, visto que este equipamento é o mais relevante para o estudo em questão. A seguir, este modelo foi incorporado ao sistema de geração sob estudo, e diversas simulações foram realizadas por meio do programa ATP (“Alternative Transient Program”), permitindo a avaliação da influência de diversos aspectos associados à formação de “Zeros Atrasados” na corrente de curto-circuito, dentre os quais a contribuição de motores de indução de grande porte. High asymmetric currents are expected to appear in electrical systems, whenever a short circuit occurs somewhere nearby electric generators buses. In the case of offshore production platforms, the so called asymmetry, along with other specific conditions, may give rise to the so called “delayed current zeros” phenomenon in the short circuit current wave, which in turn, can produce thermal stress in the circuit breaker in charge of clearing the fault. The aim of the present work is to analyze the mentioned phenomenon, as well as its possible aftermath in a typical electrical system of an offshore production platform. Firstly, a 25 MW, 13.8 kV electric generator was modeled, by using finite elements method, since this piece of equipment is the most important factor in the study under consideration. That model was added to the electrical system under study, and then several simulations were performed employing the software ATP (“Alternative Transient Program”), making possible the evaluation of the different elements affecting the formation of “delayed current zeros”, including the contribution of large induction motors.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-02-01T16:36:02Z No. of bitstreams: 1 866219.pdf: 1546055 bytes, checksum: a4bdd9b49dc2840d6c03469570e40712 (MD5) Made available in DSpace on 2019-02-01T16:36:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 866219.pdf: 1546055 bytes, checksum: a4bdd9b49dc2840d6c03469570e40712 (MD5) Previous issue date: 2017-03 Esta dissertação apresenta um estudo de um controle de velocidade de um motor de indução trifásico por orientação de campo magnético, sem sensores e interligado através de um umbilical submarino. Para este estudo, o modelo elétrico reproduz um sistema que é empregado para acionamento de bombas submarinas e que são utilizadas para elevação de óleo em campos marítimos. O cabo longo e a ausência de sensores, requisitos da aplicação, podem prejudicar ou comprometer o desempenho do motor. Para viabilizar o controle por orientação de campo, este trabalho traz para esta aplicação o uso de observadores de campo e estimadores de velocidade que substituem os sensores, normalmente utilizados neste tipo de controle. Para melhorar o desempenho, o trabalho ainda apresenta uma técnica para compensar matematicamente os efeitos do cabo e filtro utilizados no sistema elétrico e que estão instalados na saída do conversor. O sistema proposto é submetido à simulações que reproduzem diferentes condições de operações previstas de ocorrer em campo. As simulações realizadas ainda apresentam a comparação do desempenho do controle proposto frente ao desempenho do sistema operando com um controle escalar. Os resultados encontrados mostram que o controle de velocidade por orientação de campo proposto para a aplicação utilizando cabo longo é robusto e viável. This work presents a study of sensorless speed control by field orientation considering the use of a three-phase induction motor fed through long cables through subsea umbilicals. For this study, the adopted electrical model reproduces a system that is used to drive a subsea pump in offshore oil fields. The long tieback and the absence of sensors, as an application requirement, can undermine or compromise motor performance. To make the field-oriented control feasible to the proposed scenario, this work brings the use of field observers and speed estimators instead the use of sensors that are typically used in this type of control. To improve performance, this dissertation brings a technique to compensate the effects of cable and filter installed in the output of the converter. The proposed system is submitted to simulations that reproduce different conditions of predicted field operations. The simulations also show the comparison of the performance of the proposed control against the performance of the system with a scalar control. The results here presented show that the speed control proposed for the application using long cable is robust and feasible.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-01-17T15:32:49Z No. of bitstreams: 1 867049.pdf: 2656304 bytes, checksum: 4bef6f34511535c76af117e97740b3c2 (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-17T15:32:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 867049.pdf: 2656304 bytes, checksum: 4bef6f34511535c76af117e97740b3c2 (MD5) Previous issue date: 2017-02 Descargas parciais são descargas internas ao isolamento causadas por imperfeições que surgem durante o processo de fabricação ou por deterioração normal do isolamento. A repetição de descargas parciais pode levar à degradação do isolamento levando-o a falhar. Em bobinas de média tensão a monitoração de descargas parciais é uma ferramenta importante para o acompanhamento da condição do isolamento de motores e geradores como forma de tentar prever se o isolamento está próximo ou não de falhar. O entendimento do fenômeno de descargas parciais é um importante passo inicial para que possam haver diagnósticos cada vez mais assertivos no acompanhamento da vida do isolamento de máquinas elétricas. Neste contexto, este trabalho objetiva estudar o fenômeno de descargas parciais utilizando um modelo via elementos finitos, já apresentado anteriormente, no isolamento de uma bobina estatórica de 13,8 kV com uma cavidade interna em sua isolação principal. O objetivo principal do trabalho é verificar a influência de certos parâmetros nos resultados. Desta forma, são feitas simulações alterando parâmetros, tais como, raio, geometria e posição da cavidade, amplitude da tensão aplicada, espessura da isolação principal da bobina e temperatura inicial da geometria. Partial discharges are internal discharges in the insulation system caused by imperfections during the manufacturing process or by regular insulation deterioration. The repetition of partial discharges can deteriorate the insulation that can lead it to fail. In stator coils of medium voltage machines, monitoring partial discharge is a great tool for monitoring the condition of the insulation of motors and generators as a way to try to predict whether the insulation is close or not to fail. The good understanding of partial discharge phenomenon is an important first step to increase the assertive diagnosis in monitoring the life of the insulation system in electric machines. In this context, this work aims to study the phenomenon of partial discharges using a model via finite elements, which was presented previously, in the insulation of a stator coil of 13.8 kV with an internal cavity in the main insulation. The main goal of this work is to check the influence of certain parameters in the results. Thus, simulations were carried out considering variations of parameters such as size, position and geometry of the cavity, amplitude of the applied voltage, thickness of main insulation of the coil and initial temperature of the geometry.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-02-08T17:25:16Z No. of bitstreams: 1 867070.pdf: 2836583 bytes, checksum: 9076050a98d76ee9537706b32cdc378e (MD5) Made available in DSpace on 2019-02-08T17:25:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 867070.pdf: 2836583 bytes, checksum: 9076050a98d76ee9537706b32cdc378e (MD5) Previous issue date: 2017-01 Este trabalho apresenta um estudo teórico de uma estratégia de controle que busca mitigar as perdas elétricas inerentes ao cobre e ao ferro de uma máquina de indução duplamente alimentada. Essa estratégia consiste em encontrar o compartilhamento ótimo da potência reativa circulante entre os circuitos do rotor e estator do gerador. Como este trabalho é motivado em reduzir os custos e melhorar a eficiência do sistema, a linha de pesquisa deste trabalho é focada em sistemas de geração de velocidade variável utilizando uma máquina de indução duplamente alimentada. Neste tipo de topologia, o custo do conversor de eletrônica de potência é reduzido drasticamente visto que o dimensionamento está relacionado à potência de escorregamento do gerador. Para a elaboração do trabalho foi proposta a modelagem de uma máquina de indução duplamente alimentada considerando as perdas no ferro além da estratégia do controle vetorial para o acionamento dos conversores responsáveis por controlar o fluxo de potência ativa e reativa do gerador. O projeto dos controladores são baseados no ajuste ótimo da malha de controle em função da adaptação do módulo da função de transferência. Visto que a estratégia de minimização de perdas no gerador demanda um esforço dos conversores de eletrônica de potência, um modelo para a computação das perdas no semicondutor, do tipo IGBT, é apresentado e comparado com os resultados do software do fabricante no intuito de validar o modelo. Os resultados de simulação comprovam a existência de um ponto mínimo de perdas no gerador quando o compartilhamento da potência reativa ótimo é aplicado. Além disso, os resultados mostram que a utilização desta estratégia não compromete o fator de potência no ponto de conexão da rede e nem aumenta significativamente as perdas no conversor. This work presents a theoretical study of a control strategy that seeks to mitigate the inherent electrical losses due to copper and iron of a doubly fed induction machine. This strategy consists in finding the optimum reactive power sharing between the rotor and stator circuits of the generator. As this work is motivated to reduce costs and improve system efficiency, this research is focused on variable speed generation systems using a doubly fed induction machine. In this topology, the cost of power electronics converter is reduced drastically since the sizing is related to slip power of the generator. In this work a modeling of a doubly fed induction machine considering iron losses is proposed besides the strategy of vector control responsible for controlling the active and reactive power flow in the generator by the converters. The adaptation by module is the technical optimum design method used to set the controllers parameters. As loss-minimisation strategy requires a significant effort from converters, a model for computing semiconductor losses, IGBT type, is showed and compared with other software to validate the model. The simulation results confirm the existence of a minimal point of losses in the generator when the reactive power sharing is applied. In addition, the results show that the use of this strategy does not compromise the power factor at the point of common coupling neither increase the converter losses.

This paper describes the study, computer simulation and feasibility of implementation of vector control speed of an induction motor using for this purpose the Extended Kalman Filter as an estimator of rotor flux. The motivation for such work is the use of a control system that requires no sensors on the machine shaft, thus providing a considerable cost reduction of drives and their maintenance, increased reliability, robustness and noise immunity as compared to control systems with conventional sensors Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma simulação computacional com a finalidade de demonstrar o funcionamento do controle vetorial para velocidade de um motor de indução trifásico utilizando método de estimação pelo Filtro de Kalman Estendido, bem como os procedimentos necessários para sua implementação prática. A motivação maior que influenciou a pesquisa está na utilização de um sistema de controle inovador que não necessita de sensores no eixo da máquina (técnica sensorless), proporcionando desta forma uma considerável redução nos custos de acionamentos e manutenção, aumento da confiabilidade, da robustez e da imunidade a ruídos em relação ao controle de motores convencionais com sensores

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work describes the study and the implementation of the vector speed control for a three-phase Bearingless induction machine with divided winding of 4 poles and 1,1 kW using the neural rotor flux estimation. The vector speed control operates together with the radial positioning controllers and with the winding currents controllers of the stator phases. For the radial positioning, the forces controlled by the internal machine magnetic fields are used. For the radial forces optimization , a special rotor winding with independent circuits which allows a low rotational torque influence was used. The neural flux estimation applied to the vector speed controls has the objective of compensating the parameter dependences of the conventional estimators in relation to the parameter machine s variations due to the temperature increases or due to the rotor magnetic saturation. The implemented control system allows a direct comparison between the respective responses of the speed and radial positioning controllers to the machine oriented by the neural rotor flux estimator in relation to the conventional flux estimator. All the system control is executed by a program developed in the ANSI C language. The DSP resources used by the system are: the Analog/Digital channels converters, the PWM outputs and the parallel and RS-232 serial interfaces, which are responsible, respectively, by the DSP programming and the data capture through the supervisory system Este trabalho descreve o estudo e a implementação do controle vetorial de velocidade de uma máquina de indução sem mancais trifásica com bobinado dividido de 4 pólos e 1.1kW utilizando estimação neural de fluxo do rotor. O controle vetorial de velocidade opera em conjunto com os controles de posicionamento radial e das correntes nos enrolamentos de cada fase do estator. Para o posicionamento radial utilizam-se as forças controladas pelos campos magnéticos no interior da máquina. Para a otimização das forças radiais operando com influência mínima do torque rotacional, foi utilizado um modelo especial de bobinado do rotor com circuitos independentes. A estimação neural de fluxo aplicada ao controle vetorial de velocidade tem o objetivo de compensar a dependência dos estimadores convencionais em relação às variações nos parâmetros da máquina devido a aumentos de temperatura ou saturação magnética do rotor. O sistema de controle implementado possibilita uma comparação direta dos respectivos desempenhos de velocidade e posição radial da máquina sob orientação do estimador neural em relação ao estimador convencional de fluxo. Todo o controle do sistema é realizado por um programa desenvolvido em linguagem padrão ANSI C. Os recursos do DSP utilizados pelo sistema são: os canais de conversão A/D, as saídas PWM e as interfaces paralela e serial RS-232, as quais são responsáveis, respectivamente, pela programação do DSP e a captura de dados através de um sistema de supervisão