Nous proposons dans ces travaux, une solution aux problèmes de longue date posés par le control sans capteur d’une machine électrique. Cette solution consiste à élaborer un contrôleur asymptotiquement stable qui régule la vitesse du moteur en mesurant uniquement les coordonnées électriques. Nous l’avons appliqué à un moteur synchrone à aimant permanent non saillant, perturbé par un couple de charge constant non connu. Le schéma proposé est un observateur non linéaire d’ordre 4, basé sur le control qui ne dépend pas d’opérations non robustes intrinsèques au système, comme l’intégration de boucle ouverte à un système dynamique et ce schéma peut être facilement intégrée en temps réel. Le contrôleur est facile à commander par l’ajustement du gain qui détermine directement le taux de convergence de la position et de la vitesse et charge le couple d’observateurs. Les simulations et les résultats expérimentaux mettent en évidences les bonnes performances ainsi que la robustesse des paramètres d’incertitudes du schéma que nous proposons. La comparaison par simulation avec un contrôleur sans capteur à champ orienté présenté récemment dans la littérature, a également été effectuée. La thèse se termine par des remarques de conclusion et des propositions de sujet de recherche s’inscrivant dans la continuité de ces travaux. / A solution to the longstanding problem of sensorless control of an electrical machine is provided in this work. That is, the construction of an asymptotically stable controller that regulates the mechanical speed of the motor, measuring only the electrical coordinates. The result is presented for a non-salient permanent magnet synchronous motor perturbed by an unknown constant load torque. The proposed scheme is a fourth order nonlinear observer-based controller that does not rely on-intrinsically nonrobust-operations like open-loop integration of the systems dynamical model nor signal differentiation, and can be easily implemented in real time. The controller is easy to commission, with the tuning gains directly determining the convergence rates of the position, speed and load torque observers. Simulation and experimental results that illustrate the good performance, as well as the robustness to parameter uncertainty, of the scheme are presented. A simulated comparison with a sensorless field-oriented controller, recently proposed in the drives literature, is also carried out. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

Neste trabalho, investigamos um algoritmo para estimação dos parâmetros de geradores síncronos baseado em análise de sensibilidade de trajetórias. Os parâmetros são estimados através da resolução de um problema de otimização não-linear de mínimos quadrados. Medidas são comparadas com as soluções obtidas dos modelos dinâmicos do gerador e o algoritmo busca minimizar a diferença entre as medidas e a saída do modelo matemático. As medidas foram obtidas de forma artificial por intermédios de simulações computacionais, admitindo-se não somente as dinâmicas transitórias da máquina, mas também considerando as dinâmicas sub-transitórias. O algoritmo proposto é adequado para medidas acessíveis em campo e permite estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações do sistema sem a necessidade da desconexão da máquina do sistema. A principal contribuição deste trabalho é a proposição de uma nova modelagem empregada para estimar os parâmetros do gerador síncrono. Para isto, propõe-se um modelo simplificado, modificado do modelo de dois eixos do gerador, que utiliza a corrente de campo do gerador como uma das entradas. Este modelo é constituído por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EADs) que contém uma equação algébrica de balanço de corrente. Esta equação elimina a necessidade de medidas de variáveis de difícil acesso. O algoritmo proposto foi testado com dados obtidos de simulações dinâmicas realizadas a partir de um sistema teste com resultados satisfatórios. Os resultados obtidos são analisados frente a resultados obtidos também para o modelo de dois eixos utilizando a tensão de campo como uma entrada. Através destes resultados é possível observar a possibilidade de sua utilização em aplicações reais. / In this work, we investigate an algorithm for estimating parameters of synchronous generators based on trajectories sensitivity analysis. The parameters are estimated by solving a nonlinear optimization problem of least squares. Measurements are compared with the solutions obtained from the dynamic model of the generator and the algorithm seeks to minimize the difference between the measurements and the output of the mathematical model. Measurements were obtained artificially by means of simulations, assuming not only the transient dynamics of the machine, but also considering the subtransient dynamics. The proposed algorithm is suitable for accessible measurements in the field and allows the estimation of parameters from measurements of system disturbances, without the necessity of disconnecting the machine from the system. The main contribution of this work is to propose a new generator model to estimate the parameters of the synchronous generator. To this end, a simplified model is proposed. This model is a modification of the two-axis model of the generator, which uses the generator field current as an input of the model. This model consists of a set of differential-algebraic equations (DAEs) containing an algebraic equation of balance of current. This equation eliminates the need of measuring variables that are difficult to access. The proposed algorithm has been tested with data obtained from dynamic simulations conducted from a test system with satisfactory results. The results has been analysed against the results of the two-axis model using the generator field voltage as an input of the model. These results indicate the possibility of application in real machines.

O presente trabalho trata do estudo e análise da influência da saturação magnética no torque de uma máquina síncrona com ímã permanente no rotor. A máquina síncrona em es-tudo trata-se de uma máquina cuja forma de onda de força contra eletromotriz é trapezoidal. Inicialmente é feito um estudo sobre os efeitos da saturação magnética nos três principais parâmetros da máquina, indutância de fase, relutância (vista pelo circuito que tem como fonte de fluxo magnético os ímãs permanentes) e a força contra eletromotriz. Em seguida, realiza-se um estudo sobre o torque eletromagnético para a máquina e a importância dos parâmetros estudados, demonstrando a forte dependência da qualidade do torque com estes parâmetros. Com base nos estudos sobre saturação e torque, objetiva-se, portanto, descrever o comportamento de cada um dos parâmetros quando da saturação da máquina e quanto/como cada um deles afeta o torque eletromagnético da máquina. A fim de se estudar cada componente do torque separadamente, avalia-se a máquina por meio do Método da Permeabilidade Fixa. Por fim, faz-se simulações em elementos finitos empregando o método apresentado e os resultados são analisados. / This work deals with the influence of magnetic saturation on torque of permanent mag-net synchronous machine. At first, a study of magnetic saturation is carried out in order to understand its influence on three main machines parameters, phase inductance, magnet re-luctance and back electromotive force. A study describing the electric torque and its compo-nents is carried out. This study explain the importance of each machines parameter on electric torques smoothness and amplitude. In order to investigate and describe each torques com-ponent, a review on Frozen Permeability Method is developed. At last, some simulation by means of finite element method with Frozen Permeability Method are carried out. The results are shown and analyzed.

Este trabalho tem por objetivo estudar e avaliar uma técnica de determinação de posição inicial de rotor em máquinas síncronas de ímã permanente de superfície. A técnica de determinação de posição inicial é baseada na aplicação de pulsos ao motor. É proposto também um algoritmo de ajuste automático desses pulsos de forma a criar um mecanismo genérico de determinação de posição inicial de ângulo de rotor para o tipo de máquina em estudo. Simulações são realizadas de forma a garantir funcionamento correto do algoritmo que foi implementado em código C com matemática de ponto fixo. A implementação foi realizada utilizando-se um microcontrolador comercial de baixo custo que não possui hardware para aritmética de ponto flutuante. Um descritivo detalhado da implementação, do sistema de testes e resultados são apresentados ao longo do texto. / This work aims the study and evaluation of a rotor initial angle estimation technique in surface mounted permanent magnet synchronous machine. The technique of the rotor initial angle estimation is based on pulse injection to the motor. It is also proposed in this work an automatic pulse adjustment algorithm in order to create a generic mechanism to estimate rotor initial angle for the machine type under study. Simulations are performed in order to ensure the proper functionality of the algorithm which was implemented in C code with fixed point mathematics. The implementation was performed using a comercial low cost microcontroller which does not have floating point arithmetic capability. A detailed description of the implementation, test system and results are presented in this text.

Dans ce travail, nous avons réalisé et validé le fonctionnement d’une nouvelle structure de moteur supraconducteur composé d’un inducteur supraconducteur et d’un induit en cuivre. La structure originale de ce moteur est basée sur le principe de modulation de flux par l’utilisation d’un écran supraconducteur massif. Après avoir modélisé la machine par éléments finis, la construction du moteur a été achevée avec succès, une étape très délicate présentant de nombreuses difficultés. Les résultats montrent, non seulement la faisabilité technique de la machine, mais également son bon fonctionnement. Les essais, à vide, en court-circuit et en charge nous ont permis de déterminer les éléments d’un modèle de Ben-Eschenburg de ce moteur. En conclusion l’objectif de ce projet a été atteint avec succès / In this work, we have achieved and validated a new superconductor motor structure, consisting of a superconducting inductor and of an armature of copper. The original structure of this motor is based on the principle of flux modulation by the use of a bulk superconductor screen. After modeling the machine by finite elements, the construction of the engine has been achieved successfully, a very delicate stage with many difficulties. The results show not only the technical feasibility of the machinery, but also its good operation. The experiments with and without load, and the one under short circuit, allowed to determine the elements of the Ben-Eschenburg model for this machine. As conclusion, the aim of the project was successfully achieved

A expansão de geração distribuída nos sistemas de distribuição e de subtransmissão de energia elétrica em todo o mundo tem sua origem na reestruturação do setor elétrico, na necessidade de aproveitamento de diferentes fontes primárias de energia, nos avanços tecnológicos, nos incentivos governamentais e na maior conscientização sobre conservação ambiental. Com tal expansão, surge a necessidade de avaliar os impactos dessa forma de geração na operação das redes elétricas, principalmente das redes de distribuição, as quais foram inicialmente projetadas para operar considerando apenas a subestação de distribuição como fonte de energia. Entre esses impactos, um importante item a co0nsiderar é a detecção de ilhamento. Tal ocorrência é altamente indesejada pelas concessionárias distribuidoras de energia elétrica as quais estabelecem que os proprietários de geradores distribuídos devem instalar um sistema de proteção capaz de detectar ilhamentos. Dentre os métodos empregados para detecção de ilhamento os mais comuns para este propósito são os relés baseados em medidas de freqüência (relé de sub/sobrefreqüência, relé de taxa de variação de freqüência). Tais dispositivos são fortemente dependentes do desbalanço de potência ativa na rede ilhada e podem falhar caso esses desbalanços sejam pequenos. Ressalta-se que o comportamento variável da carga em sistemas de distribuição e a possibilidade de formação de diversas ilhas podem originar diferentes níveis de desbalanço de potência ativa e reativa. Conseqüentemente, pode haver vários cenários de operação em que os relés previamente citados falharão em detectar ilhamento. Neste contexto, esta dissertação de Mestrado propõe metodologias de proteção adaptativa anti-ilhamento aplicadas a relés baseados em medidas de freqüência, que visem a proteção do sistema elétrico e do gerador distribuído na maioria das condições de desbalanço de potência ativa e reativa que possam ocorrer na rede elétrica. Os geradores distribuídos a serem analisados são do tipo síncrono devido a sua grande utilização em pequenas centrais hidroelétricas e térmicas. São propostas duas metodologias: uma baseada em simulações dinâmicas e outra baseada em fórmulas analíticas. Os resultados obtidos foram satisfatórios para vários cenários de operação de um gerador distribuído conectado em uma rede de distribuição. Além disso, as vantagens e limitações de cada método são apresentadas e discutidas. / Distributed generation expansion worldwide has been caused by the de-regulamentation of the electricity sector, by the necessity to explore different energy resources, by technological advances, by government incentives and by environmental concerns associated with energy production. Such expansion brings the necessity to assess he impacts caused by distributed generators on the distribution systems, which were designed to operate considering the utility substation as the only power source. Among these impacts, on that deserves major attention is islanding detection. Utilities recommend that distributed generators\' owners provide efficient anti-islanding protection installed at the point of common coupling between the generator and the grid. Common anti-islanding protection schemes are composed by frequency-based relays (standard frequency relay and/or rate of change of frequency relay). These devices are strongly dependent on the active power imbalance in the islanded system and they can fail to detect an islanding condition if such power imbalance is small. Therefore, it is worth pointing that the variable power consumption of the distribution system\'s loads and the possibility of creating several energized islands can originate different power imbalance levels. Consequently, there may be various operating scenarios in which the frequency-based relays will fail to detect islanding. In this context, this work proposes adaptive methods to adjust frequency-based relays in order to provide effective anti-islanding protection considering different power imbalance levels. Synchronous generators are studied, since their wide application in distributed generation plants, such as small hydro and thermal power plants. Two methods are proposed: one is a simulation-based method and the other is based on analytical formulas. Both methods presented good results considering all the operating scenarios tested with a distributed generator connected to a distribution system. Furthermore, their advantages and limitations are presented and discussed.

Neste trabalho propõe-se uma metodologia de estimação de parâmetros da máquina síncrona e do sistema de excitação baseada na técnica de sensibilidade de trajetória e sincronização de sistemas. Diversas metodologias de estimação de parâmetros foram propostas na literatura, cada uma com suas vantagens e desvantagens. Entretanto, poucas são adequadas para a estimação de parâmetros com o gerador em operação (on-line). A metodologia de sensibilidade de trajetória foi escolhida por permitir uma completa representação da máquina síncrona e do sistema de excitação incluindo as não linearidades como, por exemplo, os limites do sistema de excitação e a saturação do gerador. Foram propostas algumas alternativas para esta técnica visando uma futura aplicação on-line. Dentre as propostas destaca-se o uso da teoria de sincronização no processo de estimação de parâmetros. A metodologia desenvolvida é aplicada para identificar os parâmetros do gerador síncrono (modelo clássico, modelo de um eixo, e modelo de dois eixos). Também são relatados alguns dos problemas encontrados no momento de estimar vários parâmetros da máquina síncrona simultaneamente. A metodologia também é aplicada com sucesso para estimar os parâmetros do sistema de excitação (tipo ST1A e DC1). Por fim, analisa-se a influência dos parâmetros estimados na estabilidade transitória. Para tal objetivo são realizados testes de estabilidade em um pequeno sistema de potência sujeito a incertezas nos parâmetros / In this work a methodology to estimate parameters of synchronous machines and their excitation system based on trajectory sensitivity technique and system synchronization is proposed. Many methodologies for parameter estimation have been proposed in the literature, each one with advantages and desadvantages. However, only some of them are adequate to estimate parameters with generator in operation (on-line). The trajectory sensitivity methodology has been chosen as it allows a complete representation of generator and excitation system including non-linearities as, for instance, the limits of excitation system and saturation of generator. Some alternatives were proposed for this technique regarding a future on-line application. Among them, the use of synchronization theories in parameter estimation process is highlighted. The methodology developed is used to estimate the parameters of generators (classical model, one-axis model and two axis-model). Some problems to simultaneously estimate several parameters of a synchronous machine are also presented. The methodology is successfully used to estimate the parameters of the excitation system (type ST1A and DC1). Finally, the influence of the estimated parameters on transient stability is analyzed. For this aim, stability tests were performed in a small power system with uncertain parameters

O presente trabalho trata do estudo e análise da influência da saturação magnética no torque de uma máquina síncrona com ímã permanente no rotor. A máquina síncrona em es-tudo trata-se de uma máquina cuja forma de onda de força contra eletromotriz é trapezoidal. Inicialmente é feito um estudo sobre os efeitos da saturação magnética nos três principais parâmetros da máquina, indutância de fase, relutância (vista pelo circuito que tem como fonte de fluxo magnético os ímãs permanentes) e a força contra eletromotriz. Em seguida, realiza-se um estudo sobre o torque eletromagnético para a máquina e a importância dos parâmetros estudados, demonstrando a forte dependência da qualidade do torque com estes parâmetros. Com base nos estudos sobre saturação e torque, objetiva-se, portanto, descrever o comportamento de cada um dos parâmetros quando da saturação da máquina e quanto/como cada um deles afeta o torque eletromagnético da máquina. A fim de se estudar cada componente do torque separadamente, avalia-se a máquina por meio do Método da Permeabilidade Fixa. Por fim, faz-se simulações em elementos finitos empregando o método apresentado e os resultados são analisados. / This work deals with the influence of magnetic saturation on torque of permanent mag-net synchronous machine. At first, a study of magnetic saturation is carried out in order to understand its influence on three main machines parameters, phase inductance, magnet re-luctance and back electromotive force. A study describing the electric torque and its compo-nents is carried out. This study explain the importance of each machines parameter on electric torques smoothness and amplitude. In order to investigate and describe each torques com-ponent, a review on Frozen Permeability Method is developed. At last, some simulation by means of finite element method with Frozen Permeability Method are carried out. The results are shown and analyzed.

Submitted by Nara Lays Domingues Viana Oliveira (naradv) on 2015-07-16T15:53:35Z No. of bitstreams: 1 LUCAS.pdf: 1303250 bytes, checksum: 9f822df40e01702f7d665e6b6a631bf2 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-07-16T15:53:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUCAS.pdf: 1303250 bytes, checksum: 9f822df40e01702f7d665e6b6a631bf2 (MD5) Previous issue date: 2012 / Nenhuma / Migração de processos é um pertinente mecanismo para oferecer balanceamento dinâmico de carga, principalmente em ambientes dinâmicos e heterogêneos. Em especial, esse tópico é importante para aplicações BSP (Bulk Synchronous Parallel) uma vez que elas compreendem execuções em fases, onde o tempo de cada superetapa é determinado pelo processo mais lento. Nesse contexto, esse trabalho apresenta o sistema jMigBSP. Ele permite a escrita de aplicações BSP em Java e seu diferencial diz respeito às facilidades de reescalonamento de objetos em duas maneiras: (i) usando diretivas de migração no código da aplicação e; (ii) através do balanceamento de carga automático em nível de middleware. Além das abordagens de reescalonamento, jMigBSP facilita a interação entre os objetos através de métodos para comunicação assíncrona e one-sided. O desenvolvimento de jMigBSP foi guiado pelas ideias de eficiência e flexibilidade. Em primeiro lugar, a eficiência é marcada pela preocupação com o seu desempenho se comparado com linguagens compiladas, bem como no próprio algoritmo de reescalonamento. Além disso, a flexibilidade está presente no tratamento do reescalonamento automático de objetos. A avaliação de jMigBSP compreendeu o desenvolvimento e a execução de duas aplicações BSP em um ambiente multicluster: (i) transformada rápida de Fourier e; (ii) compressão de imagens. Duas heurísticas para a seleção dos objetos candidatos à migração foram aplicadas na avaliação. A primeira seleciona um objeto BSP com o maior valor de PM (Potencial de Migração). A segunda escolhe uma percentagem de objetos baseado no maior PM. Os resultados mostram que jMigBSP oferece a oportunidade de ganhos de desempenho sem alterações no código da aplicação. jMigBSP torna possível ganhos de desempenho na casa de 29%, bem como produz uma baixa sobrecarga quando comparado com uma biblioteca de código nativo. Além disso, uma sobrecarga média de 5,52% foi observada no algoritmo de reescalonamento. Em geral, os resultados obtidos mostram na prática a teoria da migração de processos, onde aplicações computacionalmente intensivas (CPU-bound) são mais beneficiadas com a transferência de entidades (processos, tarefas, objetos etc.) para processadores mais rápidos. Considerando que a seleção de uma percentagem de objetos para migração se mostrou uma heurística eficiente, trabalhos futuros compreendem o desenvolvimento de outras que selecionam uma coleção de objetos sem a necessidade de parâmetros particulares para o reescalonador. / Process migration is an useful mechanism for runtime load balancing, mainly in heterogeneous and dynamic environments. In particular, this technique is important for Bulk Synchronous Parallel (BSP) applications. This kind of application is based in rounds, or supersteps, where the time of each superstep is determined by the slowest process. In this context, this work presents the jMigBSP system. It was designed to act over BSP-based Java applications and its differential approach concerns the offering of the rescheduling facility in two ways: (i) by using migration directives in the application code directly and; (ii) through automatic load balancing at middleware level. In addition, the presented library makes the object interaction easier by providing one-sided asynchronous communication. The development of jMigBSP was guided by the following ideas: efficiency and flexibility. First of all, the efficiency topic involves the performance relation with compiled languages (native code), as well as the time spent in the rescheduling algorithm itself. Moreover, the flexibility is present in the treatment of automatic object rescheduling. The evaluation of jMigBSP comprised the development and execution of two BSP applications in a multicluster environment: (i) fast Fourier transform and; (ii) Fractal image compression. Two heuristics were used for selecting the candidate objects for migration in the evaluation. The first heuristic chooses the BSP object that presents the highest PM (Potential of Migration) value. The second heuristic selects a percentage of objects based on the highest PM value. The results showed that jMigBSP offers an opportunity to get performance in an effortless manner to the programmer since its does not need modifications in the application code. jMigBSP makes possible gains of performance up to 29% as well as produces a low overhead when compared with a C-based library. Furthermore, an average overhead of 5,52% was observed in the rescheduling algorithm. In general, the results demonstrate in practice the theory of process migration, where computationally intensive applications (CPU-bound) are most benefited by the entities transferring (processes, tasks or objects) to faster processors. Considering that the selection of a percentage of objects for migration showed an efficient heuristic, future work includes the development of new mechanisms that select a collection of objects without the need to setup particular parameters to the rescheduler.

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.