The advancement of renewable energies is dependent on the reduction of the costs involved. One way to diminish the maintenance costs and increase the lifetime of wind turbines is to mitigate the loads and fatigue experienced by their components. Present commercial wind turbine control systems rely usually on feedback. As the control system can act only on errors that are already present, the regulation quality is restricted due to the large rotor inertia. In this work a H2 feedforward blade pitch controller is designed using an algorithm optimized for preview control. The used design method is more computationally efficient and numerically stable than the ones adopted in the preceding literature. The control objectives of the feedforward controller are to regulate the generator speed, reduce tower loads and preserve the pitch system. The controller input is a previewed effective wind speed estimate measured by a LIDAR detector. The validation of the system performance is made with aeroelastic simulations of a reference wind turbine equipped with both baseline and feedforward-enhanced controllers. The simulations are made using the FAST simulator with input wind provided by TurbSim. The results show that the designed controller is able to reduce generator speed fluctuations, tower loads and pitch activity without reducing the generated power, contributing to the turbine lifetime and hence decreasing the cost of energy. The work indicates the feasibility and effectiveness of the design technique and lays ground for future works on the area of feedforward wind turbine pitch control.

Neste trabalho é proposto um estudo envolvendo o controle vetorial do Motor de Indução Trifásico, compreendendo o uso da teoria de modos deslizantes nas malhas de controle de fluxo e velocidade na estratégia de Controle Vetorial por Orientação Indireta de Campo (Indirect Field Oriented Control, IFOC), visando sobretudo, melhorar tanto o desempenho dinâmico quanto o problema de chattering. Para tanto, aborda-se o uso de uma função de chaveamento suave, analisando suas características perante o uso de diferentes superfícies de deslizamento. Com base nessas análises, tem-se a proposta de um controlador por modos deslizantes integral, englobando o uso de uma superfície de deslizamento integral em conjunto com um método de anti-windup, sendo tal método baseado em uma função triangular. Para verificar a atratividade às superfícies de fluxo e velocidade, é realizada uma investigação quanto ao uso de uma parcela paramétrica como ação de controle, dada pelo termo equivalente. Com o objetivo de analisar a topologia de controle proposta, resultados são obtidos por meio de simulação e de uma bancada experimental considerando diferentes condições de operação. Desta forma, os resultados foram divididos em testes, visando abordar o problema do chattering e diferenças do controlador proposto perante os convencionais. De maneira geral, a topologia de controle apresentou resultados melhores aos encontrados na literatura, podendo ser uma opção em sistemas que requerem acionamento de alto desempenho dinâmico. / This work deals with the vector control in a three-phase induction motor, applying the sliding mode theory to both the flux and the speed control loops in the Indirect Field Oriented Control strategy. It aims to improve the dynamic performance regarding the chattering problem. Therefore, the use of a smooth switching function is addressed, analyzing the outcomes achieved by different sliding surfaces. Based on these analysis, an Integral Sliding Mode Controller is proposed employing an integral sliding surface along with an anti-windup method based on a triangular function. In order to verify the attractiveness of the flux and the speed surfaces, an investigation regarding the use of a parametric portion as control action is carried out. The proposed control strategy is verified by means of simulations and experiments on test bench for different operating conditions. This way, the results are split in tests aiming to approach chattering problems and the differences between the proposed and traditional control strategies. Genarally, the outcomes of the proposed topology are better with those found on literature, pointing it as a viable choice to drive high dynamic performance demanding systems.

Neste trabalho é proposto um estudo envolvendo o controle vetorial do Motor de Indução Trifásico, compreendendo o uso da teoria de modos deslizantes nas malhas de controle de fluxo e velocidade na estratégia de Controle Vetorial por Orientação Indireta de Campo (Indirect Field Oriented Control, IFOC), visando sobretudo, melhorar tanto o desempenho dinâmico quanto o problema de chattering. Para tanto, aborda-se o uso de uma função de chaveamento suave, analisando suas características perante o uso de diferentes superfícies de deslizamento. Com base nessas análises, tem-se a proposta de um controlador por modos deslizantes integral, englobando o uso de uma superfície de deslizamento integral em conjunto com um método de anti-windup, sendo tal método baseado em uma função triangular. Para verificar a atratividade às superfícies de fluxo e velocidade, é realizada uma investigação quanto ao uso de uma parcela paramétrica como ação de controle, dada pelo termo equivalente. Com o objetivo de analisar a topologia de controle proposta, resultados são obtidos por meio de simulação e de uma bancada experimental considerando diferentes condições de operação. Desta forma, os resultados foram divididos em testes, visando abordar o problema do chattering e diferenças do controlador proposto perante os convencionais. De maneira geral, a topologia de controle apresentou resultados melhores aos encontrados na literatura, podendo ser uma opção em sistemas que requerem acionamento de alto desempenho dinâmico. / This work deals with the vector control in a three-phase induction motor, applying the sliding mode theory to both the flux and the speed control loops in the Indirect Field Oriented Control strategy. It aims to improve the dynamic performance regarding the chattering problem. Therefore, the use of a smooth switching function is addressed, analyzing the outcomes achieved by different sliding surfaces. Based on these analysis, an Integral Sliding Mode Controller is proposed employing an integral sliding surface along with an anti-windup method based on a triangular function. In order to verify the attractiveness of the flux and the speed surfaces, an investigation regarding the use of a parametric portion as control action is carried out. The proposed control strategy is verified by means of simulations and experiments on test bench for different operating conditions. This way, the results are split in tests aiming to approach chattering problems and the differences between the proposed and traditional control strategies. Genarally, the outcomes of the proposed topology are better with those found on literature, pointing it as a viable choice to drive high dynamic performance demanding systems.

O objetivo deste trabalho consiste na implementação de arquiteturas de sistema inteligentes em Processadores Digitais de Sinais (DSP) visando, sobretudo, o controle em tempo real de motores de indução trifásicos. Para tanto, propõe-se uma abordagem fuzzy para o controle de velocidade de motores de indução trifásicos baseado na metodologia de ajuste de tensão e freqüência (Volts/Hertz) proveniente de um inversor PWM, de modo que o fluxo no entreferro seja mantido constante. O enfoque principal consiste no desenvolvimento do sistema de controle em hardware considerando o estudo dinâmico do controlador frente às variações de conjugado de carga, cujo desempenho da metodologia proposta será avaliado mediante simulações computacionais e ensaios experimentais realizados em laboratório. / The objective of this work consists of the implementation of intelligent system architecture in Digital Signal Processor (DSP) aiming at the real-time three-phase induction motor control. Therefore, a fuzzy logic speed control drive system for three-phase induction motor is proposed, whereas the control methodology is based on voltage and frequency (Volts/Hertz) adjustment of a PWM inverter so that the airgap flux maintains constant. The main focus concerns about hardware development of the control system considering the controller dynamic response study in relation to load torque variations, from which the proposed methodology performance is evaluated by means of computational simulation and experimental results obtained in laboratory.

This work proposes a comparative performance analysis of control and estimation techniques applied to three-phase induction motors with discrete realization, using a fixed-point digital signal processor based platform. Some modifications in original algorithms are proposed to improve the performance of the techniques in study. Initially, an historical review about the induction motors drives and a bibliographical review of the main speed estimation techniques implemented in DSP were accomplished. Then, different models of the induction machine are obtained using the semi-stationary reference frames. From the machine model, two speed controllers are projected: a classical PI controller, that is widely used in industrial environment and a robust model reference adaptive controller, objecting to compensate disturbances and unmodeled dynamics. After that, two estimation techniques based on 1M model are selected to project high-performance speed sensorless drives and later comparison. One of these schemes is extremely spread in academic and industrial environrnents, it is based on a model reference adaptive system (MRAS) and the other one is projected from a modified recursive least squares (MRLS), that is presented as a highperformance altemative solution. In the development of this work are displayed simulation results using the MatlabTM software, real-time simulations in DSP platform, and finally, experimental results. After these results analysis, it is possible to determinate which of these sensorless speed controllers proposed present satisfactory dynamic response for a wide range of speed, including low and null rotations, in situations of load disturbances and parametric variation. / Este trabalho propõe uma análise comparativa do desempenho de técnicas de controle e estimação de velocidade, com realização discreta no tempo, aplicadas a motores de indução trifásicos, utilizando plataforma com base em um processador digital de sinais de ponto-fixo. Algumas modificações em algoritmos existentes na literatura são propostas para melhorar o desempenho das técnicas em estudo. Inicialmente, uma revisão histórica sobre a evolução dos sistemas de acionamento para motores de corrente alternada e uma revisão bibliográfica das principais técnicas de estimação de velocidade implementadas em DSP são realizadas. Em seguida, são obtidos diferentes modelos para o motor de indução trifásico representados em referenciais semi-estacionários. A partir do modelo da máquina foram projetados dois controladores de velocidade: um controlador clássico e amplamente utilizado no meio industrial (PI), e, com o objetivo de compensar distúrbios e dinâmicas não modeladas, um controlador adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é implementado. Para o projeto de servomecanismos sensorless de alto desempenho, duas técnicas de estimação de velocidade baseadas no modelo do MI foram selecionadas. Uma delas é amplamente difundida. no meio acadêmico e industrial, sendo fundamentada em um sistema adaptativo por modelo de referência (MRAS) e outra tem base em um algoritmo de mínimos quadrados recursivos modificado (MRLS) e é apresentada como uma alternativa de alto desempenho. No desenvolvimento deste trabalho, resultados de simulações utilizando o software Matlab@, simulações em tempo-real em plataforma DSP, e por fim, resultados experimentais são apresentados. A partir destes resultados, parte-se para avaliação para determinar quais dos controladores sensorless analisados apresentam resposta dinâmica satisfatória em uma larga faixa de velocidade, inclusive em condições de velocidade baixa e nula, e também diante de situações de variação de carga e de parâmetros.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matheus Alexandre Bevilaqua.pdf: 3412491 bytes, checksum: 4886770099c1ba6e43a5060a8dd7e00d (MD5) Previous issue date: 2015-02-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a new implementation for the vector control of synchronous permanent magnets motors based on Labview FPGA. A set of differential equations that describes the dynamic behavior of the electric and mechanical parts of the motor are presented and used to numerical simulations. These models are converted to transfer functions and block diagrams to allow the design of current and speed controllers. A design procedure for the current and speed controller is presented. This design procedure allows the designer to set the controller gains based on the system s desired bandwidth and damping ratio. Criteria to choose the bandwidth and damping ratio are established to obtain the maximum dynamic response of the motor. The designed controllers are verified by an integrated simulation of power electronics and control algorithm. This integrated simulation allows a number of analyses to be performed on the electric drive parameters. A verification of load inertia effect on the speed controllers is made. A power inverter modulation technique that maximizes the DC bus utilization is shown. Simulation and experimental results are provided to validate the technique. An experimental setup is developed in order to implement the motor controllers and allow the reproduction of this work. By using this setup, experimental results are given to demonstrate the implementation of the current controllers, PWM modulator and speed controller developed. The conclusions of this work and the next steps recommended to explore this new technology are given at the end of this document. / Este trabalho apresenta uma nova implementação do controle vetorial aplicado a motores síncronos de imãs permanentes utilizando o Labview FPGA. São desenvolvidos modelos matemáticos, baseados em equações diferenciais que descrevem as dinâmicas elétrica e mecânica do motor e permitem a simulação numérica do comportamento dinâmico do mesmo. Estes modelos são escritos também na forma de funções de transferência e diagrama de blocos, para permitirem o projeto dos controladores de corrente e velocidade. Um procedimento de projeto para os controladores de corrente e de velocidade do motor é apresentado. Este procedimento permite ao projetista determinar a banda passante e amortecimento desejados ao sistema. Critérios práticos são então estabelecidos para determinar a banda passante e amortecimento de forma a obter a máxima resposta dinâmica possível do motor. Os controladores projetados são verificados por meio de simulações numéricas integradas à eletrônica de potência necessária ao acionamento do motor. Estas simulações permitem a realização de diversas análises de sensibilidade do acionamento proposto. Uma análise da influência da inércia da carga no desempenho do controlador de velocidade é apresentada. Uma técnica de modulação do inversor de frequência que maximiza a utilização do barramento CC é apresentada e verificada por meio de simulação numérica. Resultados experimentais são fornecidos para validar a técnica descrita. Uma plataforma experimental para implementação dos controladores é desenvolvida e detalhada para permitir a reprodução do trabalho. Utilizando-se desta plataforma experimental, resultados são obtidos para demonstrar a implementação dos controladores de corrente, do modulador PWM e do controlador de velocidade apresentado neste trabalho. As conclusões são detalhadas e sugestões para explorar a tecnologia desenvolvida neste trabalho são feitas ao final do documento.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-02-02T14:03:32Z No. of bitstreams: 1 VictorCarvalhoGalvaoDeFreitas_DISSERT.pdf: 9256729 bytes, checksum: 2b7fb909aa180b8bef8f5de69a706540 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-02-08T20:20:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 VictorCarvalhoGalvaoDeFreitas_DISSERT.pdf: 9256729 bytes, checksum: 2b7fb909aa180b8bef8f5de69a706540 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-08T20:20:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VictorCarvalhoGalvaoDeFreitas_DISSERT.pdf: 9256729 bytes, checksum: 2b7fb909aa180b8bef8f5de69a706540 (MD5) Previous issue date: 2016-09-30 / Diversas ferramentas de manuten??o t?m sido empregadas para garantir o correto funcionamento da malha dutovi?ria de transporte de petr?leo, g?s natural e derivados, devido ao importante papel que ela desempenha na cadeia de abastecimento e distribui??o da ind?stria de energia. Entre essas ferramentas, podemos destacar o uso de PIGs (Pipeline Inspection Gauge): dispositivos que viajam no interior dos dutos e s?o capazes de realizar desde uma simples limpeza at? uma inspe??o detalhada de integridade da tubula??o. Neste trabalho, desenvolvemos um sistema de medi??o e supervis?o para um duto de testes cujo principal objetivo ? pesquisar t?cnicas de controle de velocidade para PIGs. Usamos transdutores de press?o ao longo do duto a fim de determinar a posi??o e a velocidade m?dia do PIG. O sistema de supervis?o foi implementado no Elipse SCADA, respons?vel pela visualiza??o e registro de vari?veis do sistema. A interface entre esse sistema e os transdutores foi realizada por meio de um CLP. Os resultados obtidos demonstram que o deslocamento do PIG afeta significativamente o comportamento da press?o no duto e, assim, podem ser usados para estimar a posi??o e a velocidade m?dia do dispositivo por meio dos sensores utilizados. / Several maintenance tools have been employed to ensure the correct operation of the pipeline network to transport oil and gas, due to the important role it plays in the chain of supply and distribution of the energy industry. Among these tools, we can highlight the use of PIG (Pipeline Inspection Gauge) ? a device that travels inside the pipeline and is capable of performing from a simple cleaning to a detailed inspection of pipe integrity. In this work, we developed a measurement and monitoring system for a test pipeline whose main objective is to research PIG speed control techniques. We use pressure transducers along the pipeline in order to determine the position and the average speed of PIG. The supervisory system was implemented in Elipse SCADA, responsible for viewing and recording system variables. The interface between this system and the transducers was done using a Programmable Logic Controller. The results show that displacement of the PIG significantly affects the behavior of the pressure in the pipeline and thus can be used to estimate the position and the average speed of the device by means of the sensors used.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work proposes a sensorless speed control applied to single-phase induction motors (SPIM). The objective is to present an alternative for variable speed single-phase motor drives for residencial applications, which operate mostly with constant speed. For contextualization in the actual scenario, firstly a bibliographic review about variable speed operation of single-phase induction motors is presented. After, the mathematical model that represents the single-phase induction motor dynamic behavior is developed, and following, the model validation to obtain the electrical parameters is done with classical experimental tests. Then, a field orientation technique applied to single-phase induction motors is presented, where a new mathematical model is developed for the application of this technique in this motor. Also, this work proposes a method of single-phase induction motors rotor speed estimation using an MRAS (Model Reference Adaptive System) algorithm, based on the calculation of the motor s reactive power. So, some simulation results are presented for the validation of the proposed estimation technique. The speed controller used is a discrete PI because the simplicity of its implementation. Two discrete PI s controllers are used for current control. Finally, experimental results obtained in a computer based environment are presented to validate the proposed techniques with and without rotor speed sensor. / Este trabalho propõe um controle de velocidade sensorless aplicado a motores de indução monofásicos. Tem-se por objetivo proporcionar uma alternativa de acionamento com velocidade variável dos motores de indução monofásicos em aplicações residenciais, nas quais estes geralmente operam em velocidades fixas. Para contextualização do tema no cenário atual, inicialmente é apresentada uma revisão da literatura quanto aos acionamentos a velocidade variável de motores de indução monofásicos. A partir da revisão da literatura é desenvolvido o modelo matemático que representa o comportamento dinâmico do motor de indução monofásico e, juntamente com este tópico, a validação do modelo para obtenção dos parâmetros elétricos é feita a partir de ensaios clássicos. Em seguida, é apresentada uma técnica de controle por orientação no campo aplicada a motores de indução monofásicos, com a obtenção de um novo modelo matemático onde essa técnica possa ser aplicada. Além disso, esse trabalho propõe um método de estimação da velocidade rotórica de motores de indução monofásicos a partir de um algoritmo MRAS (Model Reference Adaptive System), baseado no cálculo da potência reativa deste motor. Com isso, são apresentados resultados de simulação para validação da técnica de estimação proposta. O controlador de velocidade escolhido é um PI discreto, que teve sua escolha definida pela simplicidade de implementação. Dois controladores PI s discretos também são usados para o controle das malhas de corrente. Por fim, são apresentados resultados experimentais desenvolvidos em plataforma computadorizada que validam as técnicas propostas, tanto no controle de velocidade com a medição da mesma, como no controle de velocidade sem o uso do sensor.

[pt] Esta dissertação apresenta o estudo para o desenvolvimento de um powertrain elétrico com motorização independente na massa não suspensa do veículo, acoplado diretamente nas rodas In Wheel ou Hub-Motor . O desenvolvimento do sistema proposto visa à maximização da eficiência dos veículos elétricos pela minimização das perdas relacionadas a sistemas mecânicos, como na transmissão convencional utilizada em veículos com motorização única. Outro fator motivador para o desenvolvimento do powertrain com motorização independente é a aplicação de controles independentes para cada roda, possibilitando desenvolver e aplicar uma gama de controles no veículo, os quais com a motorização única não são possíveis ou possuem desempenho não satisfatório. O trabalho apresenta uma visão geral sobre os veículos elétricos, o estudo do comportamento dinâmico vertical com o aumento da massa não suspensa do veículo, desenvolvimento de um controle de velocidade para o powertrain proposto, desenvolvimento de um controle de frenagem ABS elétrico, simulação do sistema em ciclos de direção com o cálculo da eficiência energética do powertrain, e um experimento em um dinamômetro de bancada para validação da eficiência energética dos ciclos simulados. / [en] This paper presents a study for the development of an electric powertrain with independent engines in the vehicle mass not suspended, directly coupled to the wheels In Wheel or Hub-Motor . The development of the proposed system aims at maximizing the efficiency of electric vehicles by minimizing losses related to mechanical systems, as in conventional transmission used in vehicles with single engine. Another motivating factor for the development of powertrain with independent engines is the application of independent controls for each wheel, allowing for the development and application of a range of controls in the vehicle, which would not be possible or would have unsatisfactory performance if a single engine was used. This work presents an overview of electric vehicles, the study of the dynamic vertical behavior with increasing mass of the suspended vehicle, development of a speed control for the proposed powertrain, development of an electric ABS braking control, system simulation toward cycles to calculate the energy efficiency of the powertrain, and an experiment on a bench dynamometer to validate the energy efficiency of simulated cycles.

O emprego de fibras para reforço de concreto é uma técnica bastante conhecida e estudada mundialmente. As mais conhecidas e estudadas são as fibras de aço, embora utilização das macrofibras poliméricas esteja amplamente difundida no mercado brasileiro. Entretanto, a caracterização do comportamento mecânico de concretos reforçados com essas macrofibras ainda deve ser mais bem avaliada. Dentre os diversos métodos utilizados para essa finalidade, os ensaios realizados com sistema fechado de controle de velocidade de deslocamento fornecem resultados mais confiáveis. A principal vantagem conferida por esse sistema está na avaliação desses compósitos em baixo nível de fissuração com maior acurácia. O desempenho desses compósitos foi estudado segundo as normas ASTM C1609 (2010), ASTM C1399 (2010) e EN 14651 (2007) e o método JSE-SF4 (1984). Os quatro procedimentos prescrevem ensaios de flexão de corpos-de-prova prismáticos para determinação da resistência residual pós-fissuração e da tenacidade. Os procedimentos americanos e o método japonês prescrevem configuração de aplicação de carga por dois cutelos superiores, posicionados sobre o terço médio do corpo-de-prova. Já a configuração do método europeu é de aplicação de carga por apenas um cutelo superior, centralizado em relação ao vão de ensaio, com corpos-de-prova com entalhe na face inferior. Foram estudadas uma macrofibra de polipropileno, nas dosagens de 0,22, 0,33, 0,50, 0,66, 0,82 e 1,0% em volume em três matrizes de concreto, com resistências médias à compressão de 30, 35 e 40MPa, e uma fibra de aço, nas dosagens de 0,19, 0,32 e 0,45% em volume em uma matriz de resistência média à compressão de 35MPa. Foi observado que a utilização da velocidade de deslocamento do corpo-de-prova como parâmetro de controle do ensaio forneceu boas condições de avaliação do compósito, devido à redução da instabilidade pós-pico. Com isso, a determinação da resistência residual do compósito nos níveis iniciais de deslocamento e fissuração da matriz foi mais bem caracterizada. Pela análise e comparação dos resultados, foram formuladas equações para estabelecer correlações entre os diferentes métodos de ensaio. Com o modelo de regressão utilizado na análise estatística foi possível verificar que a resistência à compressão da matriz, o tipo e o teor de fibra são as variáveis independentes que mais influenciam os resultados de resistência residual. Foi necessário estabelecer correlações para cada tipo de fibra separadamente, pois o comportamento de slip-softening ou de slip-hardening influencia as funções obtidas. / The use of fibers for concrete reinforcing is a very common practice, used all over the world. Steel fibers are the most common and studied, although synthetic macrofibers are in very common use in the Brazilian market. However, the evaluation of the mechanical behavior of concrete reinforced with this type of fiber must be evaluated. A broad range of tests is available for this purpose. Tests performed under closed-loop displacement control provide more reliable results. The main advantage of that system is in the evaluation of the composite at low levels of crack opening with higher accuracy. In this study, the performance of these composites was examined according to the standard test methods ASTM C1609 (2010), ASTM C1399 (2010), EN 14651 (2007) and JSCE-SF4 (1984). These four methods prescribe flexural tests in prismatic specimens for the determination of post-crack residual strength and toughness. The American and the Japanese test methods prescribe four-point bending tests, while the European test method prescribes three-point bending tests and specimens with a notch in the bottom face. Two fibers were analyzed: a polypropylene macrofiber, used in the dosages of 0.22, 0.33, 0.50, 0.66, 0.82 and 1.0 in volume percentage, in three concrete matrices with average compressive strengths of 30, 35 and 40MPa, and a steel fiber, in the dosages of 0.19, 0.32 and 0.45 in volume percentage, in one concrete matrix of average compressive strength of 35MPa. It was observed that the use of the net displacement of the specimen as the parameter to control the load application provided good conditions for the evaluation of the mechanical behavior of the composite, due to the reduction of post-peak instability. Therefore, the determination of the residual strength of the composite in the initial levels of displacement and cracking of the matrix was better achieved. From the comparative analysis of the results, equations were developed to establish a correlation among the test methods. Based on the model used in the statistical analysis, the main independent variables that influence the results of residual strength are the compressive strength of the concrete matrix, the type and the content of the fiber. The equations were obtained separately according to the fiber type, because the behavior of slip-hardening or slip-softening influence the correlations.