Orientador: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: João Antonio Pereira / Banca: Kátia Luchese Cavalca Dedini / Resumo: Neste trabalho apresenta-se uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibrações de rotores utilizando mancais magnéticos. Trata-se de uma alternativa de controle ativo de vibrações de rotores onde um sistema adaptativo "feedforward" é empregado sobreposto ao sistema de controle "feedback" dos mancais magnéticos. O desempenho de algumas arquiteturas de controle, tanto em termos de vibração global como em vibração local do rotor, foi analisado dando ênfase na variação do ganho proporcional e derivativo do controlador PID, que compõe o circuito de controle do mancal magnético ativo. Também foi analisado o efeito da posição e do número de sensores de erro, bem como o efeito do mancal atuador utilizado, sobre o desempenho das estratégias de controle. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido pelo método da matriz de impedância. / Abstract: In this work a theoretical analysis of the performance of a system which actively controls vibrations of rotors using magnetic bearings is presented. The proposed system of control is an alternative of active control of rotor vibrations in which an adaptive feedforward system superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings is used. The performance of some control architectures was analyzed, in terms of global vibration as in terms of local vibration of the rotor, giving emphasis in the variation of the proportional and derivative gain of the PID controller of the control circuit of the active magnetic bearings. Furthermore, the performance of the vibration control system was analyzed considering the effect of the number and position of the error sensors, as well as the effect of the magnetic bearing employed as actuator. The control system was applied in a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method. / Mestre

Sistemas de levitação magnética são inerentemente não-lineares e, quando con- trolados digitalmente, normalmente, esbarram em limitações do hardware empregado. O objetivo desta tese é apresentar aspectos teóricos e práticos durante a aplicação da teoria de controle H1 não-linear em sistemas de levitação magnética. A primeira con- tribuição desta tese é apresentar um procedimento de projeto de um controlador H1 não-linear que utiliza funções de ponderação com dinâmica, obtidas a partir do projeto de um controlador H1 linear. Assim como no caso linear, essas funções de ponderação possibilitam a rejeição de perturbações, ruídos de sensor, aumento da robustez, den- tre outras especificações. A segunda contribuição é apresentar um procedimento de conversão de uma rotina implementada em ponto-flutuante para ponto-fixo, utilizando minimização de norma l1, que foi implementada em um DSP de 32 bits em ponto- fixo. Resultados experimentais também são apresentados, nos quais a performance do controlador não-linear é especificamente avaliada na fase inicial de levitação. / Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hard- ware limitation when digitally controlled. The goal of this thesis is to present theoretical and practical aspects during the nonlinear H1 control applied on an electromagnetic suspension system. The first contribution is the design of a nonlinear H1 controller, including dynamic weighting functions, obtained from a linear H1 controller. Just as in the linear case, this dynamic weighting functions provide the disturbance and noise sensor rejection, robustness improvement, among other specifications. The second con- tribution is to present a procedure able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l1 norm minimization due to conversion error, which was then implemented into a 32-bit fixed-point DSP. Experimental results are also pre-sented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase.

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2012-04-17T20:03:00Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_ModeloPropagacaoIndoor.pdf: 1149934 bytes, checksum: 990c3190a3106dea5d17f7a7c939cfe9 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos(edisangela@ufpa.br) on 2012-04-17T20:03:31Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_ModeloPropagacaoIndoor.pdf: 1149934 bytes, checksum: 990c3190a3106dea5d17f7a7c939cfe9 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-04-17T20:03:31Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_ModeloPropagacaoIndoor.pdf: 1149934 bytes, checksum: 990c3190a3106dea5d17f7a7c939cfe9 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2010 / Eletronorte - Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado. / This work presents the development and implementation as well as the results of field tests of a power system stabilizer (PSS) designed with digital control method for damping electromechanical modes of oscillation observed for signs of electrical power measured in a generating unit of 350 MVA of Tucuruí power plant. It is presented and applied the methodology of identifying linear parametric models such as auto regressive with exogenous inputs (ARX) for estimation of models with the ability to capture the relevant information (natural frequency and damping) of dominant electromechanical modes of the system. In possession of ARX parametric model is done then the synthesis of digital damper control law for the ESP, using the technique of pole displacement of the closed loop transfer function. For the synthesis of digital control law, we used a canonical structure type RST. For the field tests, the control law digital ESP buffer was coded in C language and embedded in a hardware prototype of which is based on model DSPIC 30F3014 microcontroller, which incorporates a large number of peripherals for data acquisition and communication. In order to evaluate the performance of the digital PSS developed, experimental tests were performed in a generating unit of 350 MVA power house number 1 from Tucuruí power plant. The stabilizer acts carried out by adjusting the reference voltage regulator automatic voltage of the respective generating unit in accordance with the oscillations observed by measuring the electrical power generator stator. The results of field tests showed an excellent performance of ESP digital damping of electromechanical mode of natural frequency of approximately 1.7 Hz, observed in the field trial.

Sistemas de levitação magnética são inerentemente não-lineares e, quando con- trolados digitalmente, normalmente, esbarram em limitações do hardware empregado. O objetivo desta tese é apresentar aspectos teóricos e práticos durante a aplicação da teoria de controle H1 não-linear em sistemas de levitação magnética. A primeira con- tribuição desta tese é apresentar um procedimento de projeto de um controlador H1 não-linear que utiliza funções de ponderação com dinâmica, obtidas a partir do projeto de um controlador H1 linear. Assim como no caso linear, essas funções de ponderação possibilitam a rejeição de perturbações, ruídos de sensor, aumento da robustez, den- tre outras especificações. A segunda contribuição é apresentar um procedimento de conversão de uma rotina implementada em ponto-flutuante para ponto-fixo, utilizando minimização de norma l1, que foi implementada em um DSP de 32 bits em ponto- fixo. Resultados experimentais também são apresentados, nos quais a performance do controlador não-linear é especificamente avaliada na fase inicial de levitação. / Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hard- ware limitation when digitally controlled. The goal of this thesis is to present theoretical and practical aspects during the nonlinear H1 control applied on an electromagnetic suspension system. The first contribution is the design of a nonlinear H1 controller, including dynamic weighting functions, obtained from a linear H1 controller. Just as in the linear case, this dynamic weighting functions provide the disturbance and noise sensor rejection, robustness improvement, among other specifications. The second con- tribution is to present a procedure able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l1 norm minimization due to conversion error, which was then implemented into a 32-bit fixed-point DSP. Experimental results are also pre-sented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase.

Existem máquinas que necessitam de uma grande velocidade de processamento para seu correto trabalho, essas máquinas possuem um tempo de processamento de resposta crítico. Quando considera-se este aspecto somado à necessidade de um controle do comportamento estático e dinâmico de um sistema chega-se ao controlador com fortes demandas de tempo de execução. Essa dissertação compara controladores discretos implementados em ponto fixo, com diferentes precisões, usando para tanto a simulação do comportamento de controladores confeccionados em linguagem de comandos Matlab e em linguagem VHDL 2008. Esta última está em desenvolvimento e padronização pelo IEEE. A linguagem VHDL é usada nas FPGAs que são dispositivos de alta velocidade e capacidade de processamento paralelo. O principal objetivo do trabalho é o estudo e a implementação de controladores discretos em FPGA com o auxílio da linguagem VHDL 2008, determinando suas virtudes e limitações, em particular quanto à estrutura de programação, análise de erro e a demanda por recursos. Os resultados alcançados demonstram que algumas melhorias ainda precisam ser feitas para que o VHDL 4.0, conhecido como VHDL 2008, seja entregue ao mercado como padrão estável. Entretanto, quando conhecidas suas limitações, já é possível seu uso em implementações com conversão de sinais discretos para analógicos, como é o caso de controle e simulação de sistemas dinâmicos como servomecanismos. / There are machines that need large processing speed for its correct working, these machines have a critical time response processing. When it is considered that aspect coupled with the need for control of static and dynamic behavior of a system arrives at the controller with strong demands on runtime. This dissertation compares discrete controllers implemented in fixed point with different accuracies, using for both the simulation of the behavior of controllers manufactured in Matlab command language and VHDL 2008. VHDL 2008 still in development and standardization by the IEEE. The VHDL language is used in FPGAs that are high speed devices with parallel processing capability. The main objective of this work is the study and implementation of discrete controllers in FPGA with the help of the VHDL 2008 language, determining its strengths and limitations, particularly in regard to the structure of programming, error analysis and demand for resources. Results show that accuracy still need some improvements a standard to the VHDL 4.0, known as VHDL 2008, is delivered to the market a stable standard. However, knowing it limitations, it is possible implementations and use in conversion of analog signals to discrete, such as control and dynamic systems simulation like servomechanisms.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:51Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-08-30Bitstream added on 2014-06-13T20:47:24Z : No. of bitstreams: 1 ribeiro_jms_me_ilha.pdf: 1485185 bytes, checksum: 5ab0628a95f1aed7502862f70ee550ce (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta três novas estratégias de controle discreto. O enfoque principal do trabalho foi dado ao Controle Discreto com Modos Deslizantes (CDMD) aplicados em sistemas que possuem atraso no processamento do sinal de controle. As novas estratégias de controle objetivam a elaboração de leis de fácil implementação prática e que ao mesmo tempo sejam robustas a incertezas da planta. Uma característica destas novas abordagens para controle discreto com atraso no tempo é a utilização de um Controle com Modos Deslizantes sem a necessidade de predição do sinal de controle. Os métodos de projeto propostos podem ser aplicados no controle de plantas estáveis ou instáveis com atraso no sinal de controle. Uma das estratégias foi elaborada para realizar controle apenas em sistemas discretos que não possuem atraso no sinal de controle, enquanto que as demais são utilizadas para controle em sistemas com atraso. São apresentadas simulações e resultados de implementações práticas, sobre uma planta estável de Controle Automático da Geração (CAG) e sobre um Sistema Pêndulo Invertido, que caracteriza bem uma planta instável. Os resultados comprovam a eficácia dos novos controladores. / This work presents three new strategies of discrete-time control. The main focus of the work was given to the Sliding Mode Control (SMC) applied in systems that present delay in the processing of the control sign. The new control strategies provide laws of control of easy practical implementation and that at the same time are robust to uncertainties of the plant. A characteristic of these new approaches, for discrete-time control with delay-time, is the use of a Sliding Mode Control without the need of prediction of the control signal. The proposed design methods can be applied in the control of stable or unstable plants, with delay in the control signal. One of the strategies was elaborated to accomplish control just in discrete-time system without delay-time in the control sign, while the others are used for control in systems with delay-time. Simulations and experimental results are shown on a stable plant of Automatic Generation Control (AGC) and on Inverted Pendulum System, that is an unstable plant. The results prove the controllers' effectiveness.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-09-25Bitstream added on 2014-06-13T19:26:47Z : No. of bitstreams: 1 leandro_e_me_ilha.pdf: 1745578 bytes, checksum: 2db70f1465f9f7258fdbcda3cdebf72c (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma nova proposta para sistema de refrigeração com controle dinâmico de temperatura, operando com estrutura de compressor aberto, acionado por motor de indução trifásico com velocidade variável, e estágio de entrada retificador com correção ativa do fator de potência. O estágio de entrada é composto por um retificador Boost monofásico com elevado fator de potência, com duas células entrelaçadas, operando no modo de condução crítica, empregando técnica de comutação não dissipativa e controlado por dispositivo FPGA, associado a um estágio de saída inversor de dois níveis convencional trifásico à IGBT, o qual é controlado por um Processador Digital de Sinais (DSP - Digital Signal Processor). A técnica de comutação não dissipativa para o estágio de entrada é baseada em células ZCS (Zero-current-switching). As principais características do retificador incluem a redução da ondulação da corrente de entrada, redução da ondulação da tensão de saída retificada, utilização de componentes com reduzidos esforços, reduzido volume do filtro de entrada para Interferências Eletromagnéticas (EMI - Electromagnetic Interference), elevado Fator de Potência (FP) e reduzida Distorção Harmônica Total (DHT) da corrente de entrada, atendendo os limites da norma IEC61000-3-2. O controle digital para o estágio de saída inversor foi desenvolvido usando duas diferentes técnicas, incluindo a técnica convencional controle escalar Volts/Hertz (V/Hz) e o controle Vetorial com Orientação pelo Fluxo do estator, com o propósito de verificar a aplicabilidade e a performance dos controles digitais propostos, para o controle contínuo da temperatura, aplicados a um protótipo de sistema de refrigeração. / This work presents a new proposal for refrigeration systems with dynamic control of temperature, working with structure of open compressor, driving a three-phase induction motor with variable speed, and input rectifier with active power factor correction. The proposed system is composed of a single-phase high-power-factor boost rectifier, with two cells in interleaved connection, operating in critical conduction mode, and employing a softswitching technique, controlled by a Field Programmable Gate Array (FPGA), associated with a conventional three-phase IGBT bridge inverter (VSI - Voltage Source Inverter), controlled by a Digital Signal Processor (DSP). The soft-switching technique for the input stage is based on zero-current-switching (ZCS) cells. The rectifier s features include reduction in input current ripple, reduction in output voltage ripple, use of low stress devices, low volume for the EMI input filter, high input power factor (PF), and low total harmonic distortion (THD) in the input current, in compliance with the IEC61000-3-2 standards. The digital controller for the output stage inverter has been developed using two different techniques, the conventional Voltage-Frequency control (scalar V/Hz control), and a simplified stator oriented vector control, in order to verify the feasibility and performance of the proposed digital controls, for continuous temperature control, applied at a refrigerator prototype.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RESUMO - Josue.pdf: 8954 bytes, checksum: 37d4018bcbba745d53a694b1e3fad11b (MD5) Previous issue date: 2009-12-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work shows a unified power quality conditioner based on a digital controlier. Such conditioner is composed of shunt active power filter, to compensate the input une current, and series active power filters to compensate the load voltage. The proposal consist in applying a simple control strategy based on direct comparison the input une current and load voltãge waveforms with sinusoidal references. Initially is presented a study about the active power conditioner characteristics, classification and topologies, foliowing UPQC power structure is explored, as converter definition, aspects for grid connection and analysis and project at passive filters. Afterwards, the mathematicál models are derived, the controllers are defined and simulations are performed. Finaily, the results obtained with UPQC practical tests are shown. / Este trabalho apresenta um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC) controlado digitalmente. Tal condicionador é composto por um filtro ativo paralelo, para compensar a corrente na rede, e um filtro ativo série, para compensara tensão na carga. A proposta consiste em aplicar uma estratégia de controle simples baseada na comparação direta da corrente na rede e tensão na carga com referências senoidas. Inicialmente é apresentado um estudo a respeito das topologias e classificação dos condicionadores de energia, em seguida é explorada a estrutura de potência do UFQC, como definição do conversor, aspectos relacionados à conexão com a rede e anAlise e projeto dos filtros passivos. Posteriormente são obtidos os modelos matemáticos, projetados os controladores e elaboradas simulações para, finalmente apresentar os resultados obtidos com os ensaios do UPQC.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luis Mariano Nodari.pdf: 2083674 bytes, checksum: f3c4bf3291e2d0a7c63bb7bea7118f85 (MD5) Previous issue date: 2011-05-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work proposes a digital control system for a half-bridge boost rectifier, which composes the input stage of a single-phase transformerless double-conversion UPS. The proposed control system has an inner current loop and two outer voltage loops to maintain near unity input power factor and to regulate the dc bus voltages. The control loops operate with distinct sampling frequencies, so that current loop operates with high sampling frequency, and voltage loops operate with reduced sampling frequency and moving average filters to improve the dynamic response, without affecting the input power factor. Simulation and experimental results are included to demonstrate the performance of the closed-loop system even under severe load conditions. / Esta Dissertação de Mestrado propõe um sistema de controle digital para um retificador meiaponte monofásico, que integra o estágio de entrada de uma UPS não isolada de dupla conversão monofásica. O sistema de controle proposto tem uma malha de corrente interna e duas malhas de tensão externas para manter o fator de potência unitário e regular a tensão no barramento. O controle opera com frequências distintas de amostragem, sendo que a malha de corrente opera com alta frequência de amostragem, enquanto as malhas de tensão operam com baixas frequências e com filtros de média móvel para melhorar a resposta dinâmica das tensões de saída do retificador, sem afetar o fator de potência de entrada. Resultados de simulação e experimentais demonstram o bom desempenho do sistema de controle digital proposto mesmo em condições severas de carga.