Neste trabalho é estudada a convergência no método dos elementos finitos (MEF) quando da sua aplicação a dispositivos eletromagnéticos com características não lineares, ou seja, constituídos de materiais ferromagnéticos com curva de magnetização BxH que apresenta o fenômeno da saturação magnética. O método de Newton-Raphson é o método numérico utilizado para a resolução do sistema de equações não linear gerado. São abordadas versões desse método que utilizam fator de relaxação, bem como técnicas para a otimização desse fator, com o intuito de acelerar a sua convergência, mostrando sua efetividade. Aborda-se também a influência da escolha do modelo para a característica B(H) dos materiais ferromagnéticos, tanto em termos de desempenho computacional quanto de precisão. Duas classes de modelos para a curva vxB², bem como para sua derivada dv/dB², são analisados, quais sejam: modelos analíticos e modelos interpoladores. Dentre os modelos analíticos destacam-se os modelos de O\'Connor, Marrocco e de Brauer (exponencial). Os modelos interpoladores utilizados foram de Akima e Spline cúbica. Além do tratamento de materiais com características não lineares, também se realizou um breve estudo da aplicação de materiais do tipo ímã permanente e sua formulação pelo MEF. Outro aspecto avaliado foi a influência de diferentes métodos de resolução do sistema linear de equações algébricas na convergência do método de Newton-Raphson, como o ICCG, BiCGStab, decomposição LU e Wavelet-based Multigrid. Os resultados obtidos mostraram a potencialidade desta última técnica em termos de ganho de desempenho global da solução. / This work presents a study on the convergence of non-linear finite analysis applied to the modeling of electromagnetic devices with plane symmetry. Three aspects have been thoroughly investigated which have influence on the convergence performance, namely: the relaxation factor in the Newton-Raphson algorithm, the model of the magnetization curve and the choice of the linear solver. It is shown that convergence acceleration of the Newton-Raphson algorithm can be achieved with the use of a relaxation factor, along with numerical techniques for optimizing this factor, such as Line Search or the Brent method. Several models for the magnetization curve, both analytical (O\'Connor, Marrocco, Brauer) and interpolation-based (Akima and Cubic Splines), have been analised and comparisons in terms of their computational efficiency, as well as accuracy, are presented in order to give some guidance to the choice of the model. The influence of several linear solvers in the convergence of the Newton-Raphson algorithm has finally been investigated. The following linear solvers have been compared: LU decomposition , ICCG, BiCGStab and Wavelet-based Multigrid. The results show the superiority of the latter to improve the overall computational performance of the solution.

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.

O presente trabalho se propõe a elaborar algoritmos para controle robusto de sistemas de potência. O modelo de sistema de potência multimáquinas utilizado é o de pequenas perturbações, e o objetivo principal é aumentar o amortecimento dos autovalores críticos do sistema, garantindo sua estabilidade e desempenho em diversas condições operativas. Para isso, são utilizadas as Desigualdades Matriciais Lineares (ou LMI\'s), muito adequadas ao tratamento de problemas de controle robusto por sua flexibilidade e possibilidade de agrupamento de diversos requisitos de desempenho. São propostos, entre outros, três algoritmos fundamentais para controle robusto: dois estão relacionados ao controle descentralizado e com controladores de estrutura fixa, o que é muito comum na indústria de potência atualmente, e o outro está relacionado ao controle hierarquizado, que consiste na integração de várias camadas de controle utilizando sinais remotos. Os algoritmos de controle descentralizado propostos são inovadores, pois ambos os métodos permitem a utilização de controladores de estrutura fixa (qualquer que seja ela), e o algoritmo de controle hierarquizado propõe uma estrutura de controle inédita que utiliza aproximações de Padé de diversas ordens para representar os atrasos de comunicação no sistema. Durante a fase de projeto, pode-se escolher o atraso de comunicação, bem como a ordem da aproximação de Padé desejada. Nos algoritmos de controle robusto descentralizado, realizamos uma minimização da norma da matriz de ganhos estáticos do controlador, o que impede que o resultado do algoritmo sejam parâmetros de valores muito elevados e infactíveis para os controladores. A técnica utilizada para os três controladores propostos é o posicionamento de pólos, o que garante que os autovalores do sistema de potência em malha fechada estejam numa dada região do plano complexo, relacionada ao amortecimento mínimo desejado para os autovalores do sistema. Os testes e simulações realizados para validação dos algoritmos de controle robusto foram feitos em ambiente MATLAB, e foram utilizados diversos sistemas de potência: sistema New England de 39 barras e 9 geradores, sistema New England de 69 barras e 16 geradores e sistema New England de 39 barras utilizando modelos de termogeradores. Os testes sugerem que as técnicas propostas são eficazes, pois todas elas garantem boas taxas de amortecimento para os sistemas de potência utilizados. Ao final, simulações não-lineares comprovam a eficácia e a eficiência de um dos controladores projetados para o sistema New England de 39 barras. / The aim of this work is to elaborate robust control algorithms to power systems. The mathematical model employed to describe the multimachine power system is that used in small signal studies, and the main goal is to increase the damping of the critical eigenvalues of the system, guaranteeing its stability and performance in various operating conditions. To do this, we apply the Linear Matrix Inequalities (or simply LMI\'s), suitable to deal with robust control problems due to its flexibility and possibility to group many performance requisites. We propose three robust control algorithms: two of them are related to decentralized control with controllers of predefined structure, which are commonly used in the power industry, and the other one is related to the hierarchized control, which consists on the integration of various controllers layers using remote signals. The decentralized robust control algorithms proposed are novel, because both methods make possible the development of controllers of pre-defined structure, and the hierarchized control algorithm suggests a novel control structure that uses Padé approximations of different orders to represent the communication delays in the system. During the design, we can choose the communication delay, as well as the order of the Padé approximation desired. The decentralized robust control algorithms solve minimization problems over the controller gain matrix norm, which guarantees that the final values of the controller\'s parameters will not be much high and impracticable. The technique employed for the three types of controllers proposed is the pole placement, which ensures that the eigenvalues of the closed loop power system will be in a certain region of the complex plane, related to the minimum damping required for the system. Tests and simulations are done in MATLAB to validate the robust control algorithms, and we apply these algorithms to various power systems: 39-bus 9-machine New England power system, 69-bus 16-machine New England power systems and 39-bus New England power system with thermo machine models. The tests suggest that the proposed techniques work well, once all of them guarantee good damping rates to the power systems considered. To complete the tests round, nonlinear simulations proof the efficiency of the controllers designed for the 39-bus New England power system.

The objective of the present work is to determinate the pressure drop and the heat transfer coefficients, normally applied to analytical calculations of hydrogenerators thermal design, obtained by applying numerical calculation (Computational Fluid Dynamics - CFD) and validated by experimental results and field measurements. The object of study is limited to the most important region of the ventilation system (the cooling air ducts of stator core) to get numerical results of heat transfer and pressure drop coefficients, which are impacted mostly by the entrance of air ducts. The numerical calculations considered three-dimensional, steady-state, incompressible and turbulent flow; and were based on the Finite Volume methodology. The turbulent flow computations were carried out with procedures based on RANS equations by selecting k-omega SST (Shear-Stress Transport) as turbulence model. Grid quality metrics were monitored and the uncertainties due to discretization errors were evaluated by means of a grid independence study and application of an uncertainty estimation procedure based on Richardson extrapolation. The validation of numerical method developed by the present work (specifically to simulate the flow dynamics behavior and to obtain numerically the pressure drop coefficient of the airflow to enter and pass through the Stator Core Air Duct in a hydrogenerator) is performed by comparing the numerical results to experimental data published by Wustmann (2005). The reference experimental data were obtained by a model test. The comparison between numerical and experimental results shows that the difference of pressure drop for Reynolds numbers higher than 5000 is 2% at maximum, while for lower Reynolds numbers, the difference increases significantly and reaches 10%. It is presented that the most reasonable hypothesis for higher discrepancy at lower Reynolds numbers can be assigned to the experiment\'s non-steady-state condition. It is to conclude that the proposed numerical method is validated for the upper region of the analyzed range. Additionally to the model test validation, field measurements were executed in order to confirm numerical results. Measurements of pressure drop in the stator core of a real hydrogenerator were a challenge. Nevertheless, despite all the difficulties and considerable high field measuring uncertainties, trend curves behavior are similar to numerical results. Finally, series of numerical calculation, varying geometrical parameters of the air-duct inlet design and operational data, were done in order to obtain pressure drop coefficients trend curves to be directly applied to analytical calculation routines of whole hydrogenerator ventilation systems. Parallel to it, thermal numerical calculation was executed in the prototype simulation in order to define the convective heat transfer coefficient. / O objetivo do presente trabalho é determinar os coeficientes de perda de carga e transferência de calor, normalmente aplicados nos cálculos analíticos de design térmico de hidrogeradores, obtido pela aplicação de cálculo numérico (Computacional Fluid Dynamics - CFD) e validado por resultados experimentais e medições de campo. O objeto de estudo é limitado à região mais importante do sistema de ventilação (os dutos de ar de arrefecimento do núcleo do estator) para obter resultados numéricos dos coeficientes de transferência de calor e de perda de carga, que são impactados principalmente pela entrada de dutos de ar. Os cálculos numéricos consideraram escoamentos tridimensionais, em regime permanente, incompressíveis e turbulentos; e foram baseados no método dos volumes finitos. Os cálculos de escoamento turbulento foram realizados com procedimentos baseados em equações médias (RANS), utilizando o modelo k-omega SST (Shear-Stress Transport) como modelo de turbulência. Métricas de qualidade de malha foram monitoradas e as incertezas devido à erros de discretização foram avaliadas por meio de um estudo de independência de malha e aplicação de um procedimento de estimativa de incertezas com base na extrapolação de Richardson. A validação do método numérico desenvolvido pelo presente trabalho (especificamente para simular o comportamento dinâmico do escoamento e obter numericamente o coeficiente de perda de carga do escoamento ao entrar no duto de ar e atravessar o núcleo do estator de um hidrogerador) é realizada comparando os resultados numéricos com dados experimentais publicados por Wustmann (2005). Os dados experimentais foram obtidos como referência por um teste de modelo. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostra que a diferença da perda de carga para números de Reynolds mais elevados do que 5000 é no máximo de 2%, enquanto que para números de Reynolds inferiores, a diferença aumenta significativamente e atinge 10%. A hipótese mais razoável para a maior discrepância para número de Reynolds menores é a possível influência de instabilidades do escoamento no experimento, fazendo com que o regime seja não-permanente. Conclui-se que o método numérico proposto é validado para a região superior do intervalo analisado. Além da validação pelo ensaio de modelo, medições de campo foram executadas, a fim de confirmar os resultados numéricos. As medições de perda de carga no núcleo do estator de um hidrogerador real era um desafio. No entanto, apesar de todas as dificuldades e consideráveis incertezas da medição campo, o comportamento das curvas de tendência ficou alinhado com resultados numéricos. Finalmente, uma série de cálculos numéricos, variando parâmetros geométricos do design da entrada do duto de ar e dados operacionais, foram executados a fim de se obter curvas de tendência para coeficientes de perda de carga (resultados deste trabalho) a serem aplicadas diretamente à rotinas de cálculos analíticos de sistemas completos de ventilação de hidrogeradores. Paralelamente à isso, o cálculo térmico numérico foi executado na simulação do protótipo, a fim de se definir o coeficiente de transferência de calor por convecção.

O presente trabalho se propõe a elaborar algoritmos para controle robusto de sistemas de potência. O modelo de sistema de potência multimáquinas utilizado é o de pequenas perturbações, e o objetivo principal é aumentar o amortecimento dos autovalores críticos do sistema, garantindo sua estabilidade e desempenho em diversas condições operativas. Para isso, são utilizadas as Desigualdades Matriciais Lineares (ou LMI\'s), muito adequadas ao tratamento de problemas de controle robusto por sua flexibilidade e possibilidade de agrupamento de diversos requisitos de desempenho. São propostos, entre outros, três algoritmos fundamentais para controle robusto: dois estão relacionados ao controle descentralizado e com controladores de estrutura fixa, o que é muito comum na indústria de potência atualmente, e o outro está relacionado ao controle hierarquizado, que consiste na integração de várias camadas de controle utilizando sinais remotos. Os algoritmos de controle descentralizado propostos são inovadores, pois ambos os métodos permitem a utilização de controladores de estrutura fixa (qualquer que seja ela), e o algoritmo de controle hierarquizado propõe uma estrutura de controle inédita que utiliza aproximações de Padé de diversas ordens para representar os atrasos de comunicação no sistema. Durante a fase de projeto, pode-se escolher o atraso de comunicação, bem como a ordem da aproximação de Padé desejada. Nos algoritmos de controle robusto descentralizado, realizamos uma minimização da norma da matriz de ganhos estáticos do controlador, o que impede que o resultado do algoritmo sejam parâmetros de valores muito elevados e infactíveis para os controladores. A técnica utilizada para os três controladores propostos é o posicionamento de pólos, o que garante que os autovalores do sistema de potência em malha fechada estejam numa dada região do plano complexo, relacionada ao amortecimento mínimo desejado para os autovalores do sistema. Os testes e simulações realizados para validação dos algoritmos de controle robusto foram feitos em ambiente MATLAB, e foram utilizados diversos sistemas de potência: sistema New England de 39 barras e 9 geradores, sistema New England de 69 barras e 16 geradores e sistema New England de 39 barras utilizando modelos de termogeradores. Os testes sugerem que as técnicas propostas são eficazes, pois todas elas garantem boas taxas de amortecimento para os sistemas de potência utilizados. Ao final, simulações não-lineares comprovam a eficácia e a eficiência de um dos controladores projetados para o sistema New England de 39 barras. / The aim of this work is to elaborate robust control algorithms to power systems. The mathematical model employed to describe the multimachine power system is that used in small signal studies, and the main goal is to increase the damping of the critical eigenvalues of the system, guaranteeing its stability and performance in various operating conditions. To do this, we apply the Linear Matrix Inequalities (or simply LMI\'s), suitable to deal with robust control problems due to its flexibility and possibility to group many performance requisites. We propose three robust control algorithms: two of them are related to decentralized control with controllers of predefined structure, which are commonly used in the power industry, and the other one is related to the hierarchized control, which consists on the integration of various controllers layers using remote signals. The decentralized robust control algorithms proposed are novel, because both methods make possible the development of controllers of pre-defined structure, and the hierarchized control algorithm suggests a novel control structure that uses Padé approximations of different orders to represent the communication delays in the system. During the design, we can choose the communication delay, as well as the order of the Padé approximation desired. The decentralized robust control algorithms solve minimization problems over the controller gain matrix norm, which guarantees that the final values of the controller\'s parameters will not be much high and impracticable. The technique employed for the three types of controllers proposed is the pole placement, which ensures that the eigenvalues of the closed loop power system will be in a certain region of the complex plane, related to the minimum damping required for the system. Tests and simulations are done in MATLAB to validate the robust control algorithms, and we apply these algorithms to various power systems: 39-bus 9-machine New England power system, 69-bus 16-machine New England power systems and 39-bus New England power system with thermo machine models. The tests suggest that the proposed techniques work well, once all of them guarantee good damping rates to the power systems considered. To complete the tests round, nonlinear simulations proof the efficiency of the controllers designed for the 39-bus New England power system.