Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T05:04:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 340511.pdf: 11775903 bytes, checksum: 1baf9a198b71b623644bac26067ca17c (MD5) Previous issue date: 2016 / A presente pesquisa tem como objetivo propor uma estrutura de potência para gerenciamento de energia de um aerogerador de pequeno porte conectado a rede elétrica. A microgeração de energia vem ganhando espaço no cenário nacional com suporte da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Em 2012, a ANEEL apresentou a Resolução Normativa N°482 que regulamentou a instalação de micro e mini centrais de geração elétrica. A implementação de sistema de geração de baixa potência, como os aerogeradores de pequeno porte, exige um sistema para gerenciamento da energia produzida. Questões como robustez, complexidade e custo dos equipamentos podem inviabilizar ou reduzir interesse para implementação destes sistemas de geração. O trabalho propõem uma arquitetura de eletrônica de potência com baixo número de interruptores ativos e sem a utilização de capacitores eletrolíticos. A estrutura é composta por um retificador ativo, denominado na literatura como Switched Mode Rectifier, e um inversor Push-Pull. São realizadas análises e simulações das estruturas envolvidas, assim como, o projeto e experimentação de um protótipo de laboratório para processamento da energia produzida por um aerogerador de 1 kW. Os resultados de simulação e experimentais do sistema proposto são apresentados para dois métodos de MPPT distintos.<br> / Abstract: This research aims to propose a power management system for a small wind turbine connected to the grid. Microgeneration has been gaining ground on the national scenario with support from the National Electric Energy Agency (ANEEL). In 2012, ANEEL established the Normative Resolution Nº 482, which regulated the connection of micro and mini central power generation to the electrical grid. The implementation of low power generation system, such as small turbines, requires a system for managing the energy produced. Issues such as robustness, complexity and cost of equipment may prevent or reduce interest for implementation of this kind of renewable energy. This dissertation proposes a power electronics architecture with a low number of active switches and without the use of electrolytic capacitors. The structure is composed of an active rectifier, known in the literature as Switched Mode Rectifier, and a Push- Pull inverter. Analysis and simulations of the structures studied are held, as well as the design and implementation of a prototype, which processes energy produced by a 1 kW wind turbine. The simulation and experimental results of the proposed system are verified for two different MPPT methods.

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Coorientador: Paulo Sérgio da Silva / Coorientador: Rui Manoel Esteves Araújo / Banca: Rogério Andrade Flauzino / Banca: Rodrigo Augusto Modesto / Banca: Paulo José Amaral Serni / Banca: Fernando de Souza Campos / Resumo: Neste trabalho, é realizado o estudo da aplicação da inversão de sistemas dinâmicos para diagnóstico de falhas nos IGBTs dos conversores de potência de dois nı́veis CA-CC-CA bi-direcionais (back-to-back) aplicados na geração de energia elétrica com fonte eólica por meio de geradores de indução duplamente alimentados. Inicialmente à falha detectada, pode-se avançar para o diagnóstico do IGBT que apresenta a mesma; para tal propósito, utiliza-se o método do produto interno L 2 . Desta forma, com a detecção da falha e o di- agnóstico do componente, esta tese aborda um modo de tornar o conversor aqui estudado tolerante às falhas oriundas nos IGBTs. Com isso, adiciona a redundância fı́sica com a adição de um braço extra que permanece ocioso na ausência de falha e, caso contrário, assume o lugar do braço que apresenta a falha. O principal objetivo é demonstrar que a inversão dinâmica de sistemas pode ser utilizada como uma ferramenta de redundância analı́tica baseada em modelo; método que reduz custos por estimar sinais sem a neces- sidade de utilizar sensores, ou até mesmo utilizar o método para redundância do sensor. Para validar as ferramentas matemáticas aplicadas por esta tese, um conversor boost foi ensaiado em bancada de teste e sua inversa dinâmica foi discretizada, onde constatou sua funcionalidade em sistema embarcado utilizando um (DSP). Simulações no ambi- ente Matlab/Simulink/SymPowerSystems foram realizadas em pequena escala (gerador de 1,1kVA). Durante as simulações ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis, the study of the application of the inversion of dynamic systems to diagnose failures in the IGBTs of two-level converter back-to-back applied in the generation of electric energy with a wind power source through double-fed induction generators. Ini- tially to the detected fault, one can proceed to the diagnosis of the IGBT that presents the same; for this purpose, the L 2 -inner product method is used. Thus, with the fault detection and component diagnosis, this thesis approaches a way to make the converter studied here fault tolerant from the IGBTs. This adds physical redundancy to the addi- tion of an extra arm that remains idle in the absence of failure and otherwise takes over the arm that has the fault. The main objective is to demonstrate that dynamic system inversion can be used as a model-based analytical redundancy tool; a method that reduces costs by estimating signals without the need to use sensors, or even use the method for sensor redundancy. In order to validate the mathematical tools applied by this thesis, a boost converter was tested on the test bench and its dynamic inverse was discretized, where it verified its functionality in an embedded system using a (DSP). Simulations in the Matlab/Simulink/SymPowerSystems environment were performed on a small scale (1.1kVA generator). During the simulations, the faults were inserted and the robustness of the methods studied for detection, diagnosis and fault tolerance was verified with the operation of ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Samuel Conceição de Oliveira / Banca: Rondinelli Donizetti Herculano / Banca: André Ribeiro Lins de Albuquerque / Resumo: Neste estudo, realizou-se a análise da influência da pressão e da temperatura do vapor bem como da implementação de aquecedores regenerativos sobre a geração de bioenergia e a eficiência térmica (energética) em ciclos de cogeração no setor sucroenergético, considerando para priorização da geração de energia elétrica, consumo total do bagaço gerado no processo de produção de açúcar e álcool e moendas acionadas por motores elétricos. Para tanto, foram realizadas simulações dos ciclos de potência a vapor operando em diferentes condições de pressão e temperatura de vapor comumente empregadas no setor (pressão de 67 bar, em temperaturas de 490, 520 e 540°C e pressão de 100 bar à temperatura de 540°C) e temperatura da água de alimentação da caldeira variando entre 115 e 180°C, sendo a menor temperatura (115°C) aplicada em ciclos CEST (Condensing-Extraction Steam Turbine) convencional e as demais (140, 160 e 180°C) em ciclos CEST com pré-aquecedores regenerativos. Foram realizadas simulações para demandas de vapor pelo processo produtivo variando entre 380 e 460 kg/t de cana processada, em intervalos de 20 kg/t. As simulações foram baseadas em equações de conservação de massa e energia aplicadas ao sistema, as quais foram resolvidas usando-se o software Cycle-Tempo. Os resultados obtidos permitiram verificar que: (i) o aumento da temperatura e pressão de vapor proporciona um aumento na geração de energia e na eficiência energética do ciclo; (ii) a introdução de pré-aquecedores fecha... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this study, the influence of steam pressure and temperature as well as the implementation of regenerative heaters on the bioenergy generation and thermal (energetic) efficiency in cogeneration cycles in the sucroenergy sector was analyzed. For prioritization of electric power generation, it was considered total consumption of the bagasse generated in the sugar and alcohol production process and mills activated by electric motors. For this purpose, steam power cycle simulations were performed at different pressure and vapor temperature conditions commonly used in the industry (pressure of 67 bar, at temperatures of 490, 520 and 540°C and pressure of 100 bar at a temperature of 540°C) and boiler feed water temperature ranging from 115 to 180°C, the lowest temperature (115°C) applied in conventional Condensing-Extraction Steam Turbine cycles and the other (140, 160 and 180°C) in CEST cycles with regenerative preheaters. Simulations were carried out for steam demands from the production process, varying between 380 and 460 kg/t of processed cane, at 20 kg/t intervals. The simulations were based on mass and energy conservation equations applied to the system, which were solved using the Cycle-Tempo software. The obtained results allowed to verify that: (i) the increase of the temperature and vapor pressure provides an increase on the generation of energy and the energetic efficiency of the cycle; (ii) the introduction of closed high-pressure preheaters in conventional cycles increases both the generation of electrical energy and energetic efficiency; (iii) the implementation of low pressure preheaters in cycles with high pressure preheaters...(Complete abstract click electronic access below) / Mestre

This work develops a new mathematical model to the salient pole synchronous machines (SPSM), based on the abc reference system. The model considers the distribution and coil pitch factors of windings and develops a new function for the variable air gap, generated by the curvature of the polar mass. As a result, the development of the modeling takes into account the spatial harmonic components of: magneto motive force MMF(&#952;)h, electromagnetic ux density B(&#952;)h and variation function of the air gap g(&#952;)h. It is also proposed a new and simplied methodology using the locked rotor tests, volt-ampere method, to obtain the constants of the synchronous machine design, which allow the calculation of the modeling parameters and the terminals magnitudes determination. It presents also contributions to traditional methods of obtaining experimental inductances, using the locked rotor test. Yet it develops procedures and makes the simulation of the main temporal magnitudes at the generator terminals connected to the utility grid, electrical torque, speed, voltage and current. The model is validated through the theoretical and experimental confrontation of inductances, and also of the voltages and currents at the generator terminals connected to the utility grid. / Este trabalho desenvolve uma nova modelagem matemática para as máquinas síncronas de polos salientes (MSPS), baseada no sistema abc de referência. A modelagem considera os fatores de distribuição e de passo de bobina dos enrolamentos e desenvolve uma nova função para o entreferro variável, gerado pela curvatura da sapata polar. Como conseqüência o desenvolvimento da modelagem leva em consideração os componentes harmônicos espaciais de: força magneto motriz FMM(&#952;)h, densidade de uxo eletromagnético B(&#952;)h e da função de variação do entreferro g(&#952;)h. É também proposto uma nova e simplificada metodologia a partir dos testes de rotor bloqueado, método volt-ampere, para a obtenção das constantes de projeto da máquina síncrona que possibilitam os cálculos dos parâmetros da modelagem, bem como a determinação das grandezas terminais. Também apresenta contribuições aos métodos tradicionais de obtenção de indutâncias experimentais, a partir dos testes de rotor bloqueado. Ainda desenvolve os procedimentos e faz a simulação das principais grandezas temporais nos terminais do gerador conectado à rede da concessionária: torque elétrico, velocidade, corrente e tensão. A modelagem é convalidada através das confrontações teórico-experimental das indutâncias, e também dos resultados de correntes e tensões nos terminais do gerador conetado à rede da concessionária. / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os sistemas de controle de excitação em máquinas síncronas devem detectar com bastante rapidez as mudanças causadas pela entrada de carga no gerador isolado e atuar no sistema de excitação de forma rápida e eficiente, para manter a tensão terminal em níveis desejados. Ao contrário de outros trabalhos realizados nesta área com circuitos eletrônicos analógicos, em muitos casos, este controlador pode ser construído utilizando tecnologia microcontrolada por possuir alto nível de eficiência no controle, circuito com flexibilidade para implementação de diferentes estratégias de controle e baixo custo para produção. A abordagem deste trabalho consiste em uma proposta para aplicação de um controle de excitação automático utilizando uma malha PID, com opções de controle manual, monitoramento de tensão terminal e temperatura de estator da máquina, utilizando um microcontrolador PIC16F877A da empresa Microchip Technology. Os resultados obtidos a partir de ensaios práticos em laboratório com partidas diretas de motores de indução (1 e 2 cv) com um gerador de 2 kVA mostra que a atuação do controlador recuperou a tensão terminal em pouco tempo, para o setpoint adotado. E por fim, os resultados obtidos foram comparados com os tempos de resposta de outro conhecido regulador automático de tensão encontrado no mercado, para comprovar o bom desempenho de controle deste projeto. / The excitation control systems in synchronous machines must very quickly detect changes caused by load increase on the isolated generator and act on the excitation system in a rapid and efficient way in order to maintain terminal voltage at optimal desired levels. Unlike other works related with this area which used analog-based electronic circuits, this controller can in many case be built utilizing microcontrolled technology which is more efficient and flexible to implement different control strategies, as well as having a low cost of production. The approach of this research consists in a proposal to apply an automatic excitation controller, utilizing a PID control loop, including manual adjustments and monitorings of terminal voltage and stator temperature of the machine. It employs a PIC16F877A microcontroller from the Microchip Technology Company. The results obtained through practical tests in laboratory with a direct online start of induction motors (1 and 2 HP) on a 2 kVA generator show that the controller acts to recover the terminal voltage to the adopted setpoint in a reduced time. Finally, the results were also compared to the time of response provided from another well-known automatic voltage regulator found in the market, in order to prove the good control performance of this project. / Dissertação (Mestrado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP. Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw. Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon). The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies. Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding. / Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinâmico de um gerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operação conectado às redes de distribuição, utilizando a interface ATPDraw do software ATP. Neste contexto, é primeiramente necessário obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da máquina síncrona (regulador de tensão e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw. Além disso, para análise de estabilidade é desenvolvido uma técnica matemática para o cálculo do ângulo de potência da máquina a qual é representada no ATPDraw por um dispositivo (ícone). Para ajustar os parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de velocidade são apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas elétricos: o primeiro com um gerador síncrono conectado a uma rede de distribuição; e o segundo composto por três geradores distintos formando um sistema multimáquinas. Nesses sistemas são aplicados distúrbios do tipo rejeição de carga e curto-circuito para realização dos estudos. Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, são realizados estudos do desempenho dinâmico de um gerador síncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuição, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tensão), de estabilidade e verificar as influências dos controles da máquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeição de carga. / Mestre em Ciências