[pt] A presente dissertação trata do projeto, construção e ensaio preliminar de um novo modelo do compressor Kopelrot. É uma máquina de deslocamento positivo baseada em seis patentes depositadas desde 1998. Esta tecnologia está em desenvolvimento há aproximadamente 8 anos, tendo gerado artigos e dissertações, assim como a construção de dois protótipos. É apresentada, inicialmente, uma revisão dos trabalhos publicados sobre a tecnologia Kopelrot. Foram construídos junto ao novo modelo de compressor Kopelrot um novo sistema de acionamento e uma base para a fixação de ambos a um motor elétrico. Durante a elaboração dos desenhos foram realizadas simulações preliminares da geometria para definir a fabricação de algumas peças importantes. A base permite regular a excentricidade entre os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento e, dessa forma, variar a vazão volumétrica do compressor. Simulou-se a variação de volume no interior da câmara com o conjunto compressor Kopelrot/Sistema de acionamento, ajustado para 5 excentricidades diferentes, a fim de mapear o comportamento do Kopelrot quando sua capacidade é variada, deslocando-se os eixos de centro do compressor e do sistema de acionamento. Para as excentricidades escolhidas, foram calculadas, a partir de modelo termodinâmico simplificado, as variações de pressão, temperatura e massa no interior da câmara do compressor. Valores globais de potência consumida e eficiência volumétrica também foram calculados. Durante o funcionamento do protótipo identificaram-se alguns problemas tipicamente encontrados em tecnologias inovadoras. Devido a esses problemas, não foi possível a realização dos testes do compressor operando em condições normais de pressão. / [en] The present dissertation addresses the design, construction, simulation and preliminary tests of an innovative positive displacement rotary compressor. A review is presented on the previous works, papers and dissertations, based on this new this new Kopelrot technology. A new prototype, employing a new driving system, was manufactured. The main feature of the machine is that, by adjusting the eccentricity between compressor cylinder and driving mechanisms axis, a variable capacity device is obtained. Design, manufacturing and assembly of components and subsystems of the compressor are presented in detail. Design data of the compressor allowed for a simple thermodynamic simulation model to be developed. Main conclusions of the simulation are that a full positive displacement compression cycle can be attained with the Kopelrot technology and that use of discharge and suction valves is required in order to have the compressor operating under different conditions.

Nos últimos 20 anos, o inversor de frequência PWM passou a ser largamente utilizado. Dentre as razões principais de sua ampla difusão, cita-se a introdução do IGBT que, devido à sua capacidade de comutação rápida, possibilitou a redução de perdas, tamanho e custo dos conversores, ao mesmo tempo em que permitiu o uso do motor de indução em aplicações que demandam alto desempenho dinâmico. Porém, esta mesma característica que trouxe tais benefícios, contribuiu para acentuar os efeitos relacionados a fenômenos eletromagnéticos, devido à rápida transição que produz sinais em alta frequência, responsáveis por tornar os sistemas de acionamentos potenciais fontes de interferência eletromagnética. Os principais fenômenos desta natureza são a tensão de onda refletida, associada a ruídos de modo diferencial, e a corrente de modo comum. De maneira geral, a corrente de modo comum tem maior potencial de contribuição para a emissão radiada que a de modo diferencial e, em sistemas de acionamento, constitui a principal fonte de interferência eletromagnética. Esta não é resultado apenas da rápida comutação dos IGBTs, mas, também, da configuração do sistema, que propicia o surgimento das tensões de modo comum. Este trabalho visa estudar alternativas que minimizem, naturalmente, estas tensões através de sua configuração, reduzindo-se a necessidade de novos componentes, como filtros passivos ou circuitos ativos. Ressalta-se, assim, que o primeiro passo consistiu-se na compreensão do problema de geração da tensão de modo comum. Visando atingir os propósitos anteriormente mencionados, foi idealizado um inversor, composto de duas pontes chaveando em oposição, chamado de duplo-trifásico. A partir de simulações, avaliou-se seu potencial e definiu-se sua implementação, a partir de dois inversores idênticos. Testou-se o protótipo contra um terceiro módulo de mesmo tipo, em iguais condições. A comparação dos resultados indicou que a configuração proposta pode ser eficiente no controle do ruído de modo comum, obtendo-se valores de redução de 86%. Nota-se que o comportamento observado via o protótipo, permite um melhor entendimento dos fenômenos relativos à circulação da corrente de modo comum. Desta forma, à luz da pesquisa realizada, nota-se que, conceitualmente, a solução proposta se destaca das demais apresentadas na literatura pela sua exequibilidade e simplicidade. / Over the last 20 years, the PWM frequency inverter has become widely used. Among the main reasons for its widespread distribution is the introduction of the IGBT, due to its ability for fast switching allowing the reduction of losses, size and cost of the converters, and the use of the induction motor in applications that demand high dynamic performance. However, this same characteristic that brought such benefits, stressed the effects related to electromagnetic phenomena, due to the fast transition that produces high frequency signals, responsible for turning drive systems, potential sources of electromagnetic interference. The main phenomena of this nature are the reflected wave overvoltage, associated with differential mode noise, and the common mode current. In general, the common mode current has greater potential of contribution to the emission of radiated interference than the differential mode current and is the main source of electromagnetic interference in drive systems. The common mode current is not just the result of the fast transitions of IGBTs, but also of the system configuration, which produces common mode voltages. This work aims to study alternatives that minimize, naturally, those voltages through its configuration, reducing the need for additional components, such as passive filters or active circuits. It is pointed, that the first step consisted in the understanding of the problem of the common mode voltage generation. In order to address this objective, an inverter composed of two bridges, switching in opposition, called double-three-phase was designed. Its potential for noise mitigation, as well, its implementation, with two identical inverters was evaluated by simulations. The prototype was tested against a third module of the same type, under the same conditions. The comparison of the results indicated that the proposed configuration can be efficient in the common mode noise control, with 86% reduction. The behavior observed through the prototype allows a better understanding of the phenomena involving common mode current. Thus, in the light of the research, we note that, conceptually, the proposed solution stands out for its practicality and simplicity, from the others presented in the literature.

Este trabalho apresenta uma alternativa ao controle vetorial de motores de indução, sem a utilização de sensores para realimentação da velocidade mecânica do motor. Ao longo do tempo, diversas técnicas de controle vetorial têm sido propostas na literatura. Dentre elas está a técnica de controle por orientação de campo (FOC), muito utilizada na indústria e presente também neste trabalho. A principal desvantagem do FOC é a sua grande sensibilidade às variações paramétricas da máquina, as quais podem invalidar o modelo e as ações de controle. Nesse sentido, uma estimativa correta dos parâmetros da máquina, torna-se fundamental para o acionamento. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um estimador baseado em um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS) para o controle de velocidade do motor de indução trifásico em um acionamento sem sensores. Pelo fato do acionamento em malha fechada admitir diversas velocidades de regime estacionário para o motor, uma nova metodologia de treinamento por partição de frequência é proposta. Ainda, faz-se a validação do sistema utilizando a orientação de campo magnético no referencial de campo de entreferro da máquina. Simulações para avaliação do desempenho do estimador mediante o acionamento vetorial do motor foram realizadas utilizando o programa Matlab/Simulink. Para a validação prática do modelo, uma bancada de testes foi implementada; o acionamento do motor foi realizado por um inversor de frequência do tipo fonte de tensão (VSI) e o controle vetorial, incluindo o estimador neuro-fuzzy, foi realizado pelo pacote de tempo real do programa Matlab/Simulink, juntamente com uma placa de aquisição de dados da National Instruments. / This work presents an alternative sensorless vector control of induction motors. Several techniques for induction motor control have been proposed in the literature. Among these is the field oriented control (FOC), strongly used in industries and also in this work. The main drawback of the FOC technique is its sensibility to deviations of the parameters of the machine, which can deteriorate the control actions. Therefore, an accurate determination of the machines parameters is mandatory to the drive system. This work proposes the development of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) estimator to control the angular speed of a three-phase induction motor in a sensorless drive. In a closed loop configuration, several speed commands can be imposed to the motor. Thus, a new frequency partition training of ANFIS is proposed. Moreover, the ANFIS speed estimator is validated in a magnetizing flux oriented control scheme. Simulations to evaluate the performance of the estimator considering the vector drive system were done by the Matlab/Simulink. To determine the benefits of the proposed model a practical system was implemented using a voltage source inverter (VSI) and the vector control including the ANFIS estimator, carried out by the Real Time Toolbox from Matlab/Simulink and a data acquisition card from National Instruments.

Este trabalho apresenta uma alternativa ao controle vetorial de motores de indução, sem a utilização de sensores para realimentação da velocidade mecânica do motor. Ao longo do tempo, diversas técnicas de controle vetorial têm sido propostas na literatura. Dentre elas está a técnica de controle por orientação de campo (FOC), muito utilizada na indústria e presente também neste trabalho. A principal desvantagem do FOC é a sua grande sensibilidade às variações paramétricas da máquina, as quais podem invalidar o modelo e as ações de controle. Nesse sentido, uma estimativa correta dos parâmetros da máquina, torna-se fundamental para o acionamento. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um estimador baseado em um sistema de inferência neuro-fuzzy adaptativo (ANFIS) para o controle de velocidade do motor de indução trifásico em um acionamento sem sensores. Pelo fato do acionamento em malha fechada admitir diversas velocidades de regime estacionário para o motor, uma nova metodologia de treinamento por partição de frequência é proposta. Ainda, faz-se a validação do sistema utilizando a orientação de campo magnético no referencial de campo de entreferro da máquina. Simulações para avaliação do desempenho do estimador mediante o acionamento vetorial do motor foram realizadas utilizando o programa Matlab/Simulink. Para a validação prática do modelo, uma bancada de testes foi implementada; o acionamento do motor foi realizado por um inversor de frequência do tipo fonte de tensão (VSI) e o controle vetorial, incluindo o estimador neuro-fuzzy, foi realizado pelo pacote de tempo real do programa Matlab/Simulink, juntamente com uma placa de aquisição de dados da National Instruments. / This work presents an alternative sensorless vector control of induction motors. Several techniques for induction motor control have been proposed in the literature. Among these is the field oriented control (FOC), strongly used in industries and also in this work. The main drawback of the FOC technique is its sensibility to deviations of the parameters of the machine, which can deteriorate the control actions. Therefore, an accurate determination of the machines parameters is mandatory to the drive system. This work proposes the development of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) estimator to control the angular speed of a three-phase induction motor in a sensorless drive. In a closed loop configuration, several speed commands can be imposed to the motor. Thus, a new frequency partition training of ANFIS is proposed. Moreover, the ANFIS speed estimator is validated in a magnetizing flux oriented control scheme. Simulations to evaluate the performance of the estimator considering the vector drive system were done by the Matlab/Simulink. To determine the benefits of the proposed model a practical system was implemented using a voltage source inverter (VSI) and the vector control including the ANFIS estimator, carried out by the Real Time Toolbox from Matlab/Simulink and a data acquisition card from National Instruments.

Este trabalho apresenta o estudo comparativo do desempenho de três topologias de conversores do sistema monofásico para o sistema trifásico com número reduzido de componentes, para o acionamento de um motor de indução do tipo rotor gaiola de esquilo. O funcionamento de cada topologia é descrito e simulado digitalmente. O desempenho desses conversores é avaliado em diferentes modos de operação, com sequência de fase positiva ou negativa, com ênfase na qualidade de energia em termos de redução da distorção harmônica total e da melhoria do fator de potência na fonte. Com vistas à redução de custos, foi desenvolvido um protótipo experimental baseado no uso de módulo integrado de chaves semicondutoras de potência e de um microcontrolador de baixo custo. Os resultados experimentais se equiparam aos resultados obtidos por simulação. / This work presents the comparative performance of three topologies of single-phase to three-phase converters with reduced number of components while driving an induction motor of type squirrel-cage. The operation of each topology is described by means of simulation results. The performance of these converters is evaluated in different modes of operation, according to the positive or negative sequence, with an emphasis on power quality in terms of reduced total harmonic distortion and improved power factor at the input source. With a viewpoint for achieving reduced costs, an experimental prototype has been developed, based on the use of integrated module of power semiconductor switches and a cheap microcontroller. Experimental results comparable to those obtained by simulations are obtained.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ELISABETH CRISTINA LEMOS SPERB.pdf: 4249399 bytes, checksum: 689cbb6a5cf388bda83e27d4de4a8e1a (MD5) Previous issue date: 2011-08-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This project presents the implementation of an experimental test bed to drive the permanent magnet synchronous motor (PMSM) using a digital signal processor. The main purpose of the project is to develop a test bed with flexible features enabling the implementation and evaluation of different motor control techniques. Initially the constructive characteristics of the PMSM are studied, as the selection of the proper materials of permanent magnets and the possibilities of physical arrangement in the rotor. Then the mathematical model is developed with the currents and voltage equation in the rotating reference frame. An analysis is made, consequently, of the vector control using the method by considering the rotor flux approach with constant torque control and the space vector pulse width modulation technique. Some techniques of sensorless control based on the motor mathematical model and artificial neural network are also presented. To demonstrate the flexibility of the bed developed, some algorithms for estimating motor position and speed, earlier simulated, were implemented with the algorithm drive system. / Neste trabalho é apresentada a implementação de uma bancada experimental para o acionamento do motor síncrono de imãs permanentes (MSIP) utilizando um processador digital de sinais. O objetivo principal do trabalho é desenvolver uma bancada com características flexíveis que permita a implementação e avaliação de técnicas de controle variadas. Inicialmente, são estudadas as características construtivas do MSIP, como o material que compõe os imãs permanentes e as possibilidades de arranjo físico no rotor. Em seguida é desenvolvido o modelo matemático com as equações de corrente e tensão no referencial girante. É analisado na seqüência, o controle vetorial, utilizando o método direto pelo fluxo de rotor considerando a abordagem com controle de torque constante, e a técnica de modulação por largura de pulso por vetor espacial. São também apresentadas algumas técnicas de controle sem sensor de posição/velocidade (sensorless) baseadas no modelo matemático do motor e em redes neurais artificiais. Algumas técnicas de controle sensorless foram simuladas e analisadas. Para comprovar a flexibilidade da bancada desenvolvida, alguns algoritmos de estimação da posição e velocidade do motor, anteriormente simulados, foram implementados juntamente com o algoritmo de acionamento.

Este trabalho apresenta o estudo comparativo do desempenho de três topologias de conversores do sistema monofásico para o sistema trifásico com número reduzido de componentes, para o acionamento de um motor de indução do tipo rotor gaiola de esquilo. O funcionamento de cada topologia é descrito e simulado digitalmente. O desempenho desses conversores é avaliado em diferentes modos de operação, com sequência de fase positiva ou negativa, com ênfase na qualidade de energia em termos de redução da distorção harmônica total e da melhoria do fator de potência na fonte. Com vistas à redução de custos, foi desenvolvido um protótipo experimental baseado no uso de módulo integrado de chaves semicondutoras de potência e de um microcontrolador de baixo custo. Os resultados experimentais se equiparam aos resultados obtidos por simulação. / This work presents the comparative performance of three topologies of single-phase to three-phase converters with reduced number of components while driving an induction motor of type squirrel-cage. The operation of each topology is described by means of simulation results. The performance of these converters is evaluated in different modes of operation, according to the positive or negative sequence, with an emphasis on power quality in terms of reduced total harmonic distortion and improved power factor at the input source. With a viewpoint for achieving reduced costs, an experimental prototype has been developed, based on the use of integrated module of power semiconductor switches and a cheap microcontroller. Experimental results comparable to those obtained by simulations are obtained.

[pt] No presente trabalho foi realizada a construção, montagem, revisão de projeto e avaliação experimental preliminar de um novo motor a combustão interna rotativo por ignição por centelha, que pode ser classificado como cat-and-mouse engine ou Twin-Rotor Piston Engine. Nesse motor, dois pares de deslocadores são montados sobre dois rotores, que giram em velocidade variável em dentro de uma câmara cilindrica, de forma a conferir uma variação da posição angular relativa entre deslocadores e, assim, formar quatro câmaras de volumes variáveis com o tempo, a fim de se realizar processos termodinâmicos equivalentes aos de um motor alternativo de quatro tempos. Esse motor destaca-se por possuir um sistema inovador que permite a mudança do movimento dos rotores e deslocadores, de forma a aumentar o volume deslocado e a taxa de compressão das câmaras onde ocorrem os processos termodinâmicos. Tal dispositivo permite alterar e otimizar a taxa de compressão para diferentes combustíveis. Os componentes do motor foram usinados de acordo com o projeto e o protótipo foi montado, revisado e ajustado, de forma a garantir a operacionalidade do equipamento. Posteriormente, o motor foi montado em uma bancada para se efetuar testes preliminares de acionamento externo, afim de se medir vazão volumétrica, potência fornecida e pressão de compressão no ponto morto superior em função da velocidade angular. A revisão bibliográfica do trabalho contém definições úteis na classificação de motores rotativos, além de discutir suas especificidades características. / [en] The present work describes the construction, assembly, project revision and preliminary experimental evaluation of an innovative rotary spark ignition internal combustion engine. First, a literature survey was carried out. Some useful definitions were found for rotary engines classification as well as some of their specific characteristics were discussed. The engine can be classified as cat-andmouse engine or Twin-Rotor Piston Engine. It is characterized by two pairs of displacers, assembled over two rotors, which rotate at a variable rotational speed within a cylindrical cavity. The driving mechanism is such that the relative distance between each pair of displacers varies continuously, thus providing the positive displacement effect. Therefore, the engine has four chambers, each one with its own time varying volume, so that thermodynamic processes, equivalent to those of a four-stroke reciprocating internal combustion engine, can take place. This engine presents a unique and innovative mechanism by which the compression ratio can be varied during operation, thus optimizing engine efficiency a for a given fuel. Engine components, designed in an effort previous to the present one, were fabricated according to the original project. A prototype was assembled, with all components following a routine of project revision, including measurements, uncertainties and adjustments. The engine was then placed on a test bench where preliminary non-firing external driving tests were carried out. They included: volumetric flow rate, driving (frictional) power and cylinder maximum pressure with displacer at the top dead center, all these parameters in terms of the primary shaft angular velocity.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Filipe - RESUMO.pdf: 27146 bytes, checksum: 965d13a57f8850f7f5953eb1442cb7ab (MD5) Previous issue date: 2015-09-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This paper discusses the implementation of some control strategies, without making use of mechanical sensors, for motor drives commonly used in white goods. In this way, initially, it is made a literature review about the system to be controlled, explaining about the different types of engines, discussing its details and classification, focusing particularly on permanent magnet synchronous motors. Thus, in order to facilitate the understanding of the control system, it is presented both the machine model as the known methods to control it. Then, a brief introduction to vector control with constant torque angle, which is the control approach used in this work. Thus, knowing the particularities involved in motor control, and knowing the problems inherent in the use of mechanical sensors at the control designs, it is presented various techniques that do not use these devices. Further, it is explained about the classification, advantages and restrictions related to these approaches, discussing three of them in a more specific way: using sliding mode approach; by adaptive models and neural networks. These respective techniques were simulated and then implemented on a trial bench, developed to analyze their characteristics facing pre-defined conditions in the machine drive. Finally, the results obtained were analyzed and discussed, based on similar implementations arranged in the literature. / O presente trabalho aborda a implementação de algumas estratégias de controle, sem fazer uso de sensores mecânicos de rotação, para o acionamento de motores comumente utilizados em produtos da linha branca. Deste modo, inicialmente, faz-se uma revisão bibliográfica acerca do sistema a ser controlado, explanando sobre os tipos de motores existentes, discutindo seus detalhes e classificação, focando particularmente, nos motores síncronos de ímãs permanentes. Com isso, visando facilitar o entendimento do sistema de controle em questão, apresenta-se tanto o modelo da máquina quanto os métodos conhecidos para controlá-la. Em seguida, é feita uma breve introdução ao controle vetorial com ângulo de torque constante, que é a abordagem de controle utilizada neste trabalho. Assim, sabendo das particularidades envolvidas no controle do motor, e conhecendo os problemas inerentes à utilização de sensores mecânicos nos projetos de acionamento, apresentam-se diversas técnicas que não fazem uso destes dispositivos. Na sequência, explana-se sobre a classificação, vantagens e restrições relacionadas a estas abordagens, discutindo três delas de forma mais específica: por modos deslizantes; por modelos adaptativos e por redes neurais. Essas respectivas técnicas foram simuladas e, posteriormente, implementadas em bancada experimental, desenvolvida para analisar suas características frente à condições pré-definidas no acionamento da máquina. Por fim, os resultados obtidos foram analisados, e discutidos, com base em implementações semelhantes dispostas na literatura.

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