Nesta tese de doutorado é proposta uma abordagem para estimar a velocidade angular de geradores síncronos conectados em um sistema elétrico de potência, a partir de sinais que podem ser facilmente mensurados, tais como a corrente e a tensão na barra do lado de alta tensão do transformador que conecta o gerador em análise ao restante do sistema. Uma vez que informações precisas sobre o comportamento dinâmico do sistema são de elevada importância para um controle efetivo do SEP, especialmente com o aumento da complexidade da rede, a abordagem proposta nesta tese fornece uma estimativa do sinal de velocidade que pode ser aplicada no estudo da estabilidade a pequenas perturbações para mitigar os problemas inerentes a presença das oscilações eletromecânicas mal amortecidas nos SEPs. A abordagem desenvolvida é composta por dois métodos sendo cada um deles aplicável dependendo das características do problema a ser resolvido e das informações disponíveis para tanto. No primeiro método, uma técnica de sensibilidade da trajetória é aplicada ao sinal de diferença entre a resposta obtida pelo modelo simulado e aquela fornecida por dados amostrados no sistema real emulado. A partir desse sinal de erro e das curvas de sensibilidade, a técnica possibilita calibrar os coeficientes de um modelo linear do SEP e, consequentemente, descrever de forma precisa a resposta da velocidade do gerador em análise. No segundo método, uma técnica de filtragem é utilizada (filtro de Kalman Unscented) a qual fornece uma estimativa adequada para a velocidade angular do rotor mesmo quando elevadas discrepâncias são observadas entre a saída do modelo simulado e a resposta amostrada no sistema real. Os resultados obtidos sobre diferentes sistemas testes evidenciam a eficiência da abordagem proposta. / In this thesis, an approach is proposed to estimate the rotor speed of synchronous generators connected to an electric power system (EPS), from signals that can be easily sampled by measuring equipment, such as current and voltage in high voltage side of the step-up transformer of the power plant. Accurate information about the dynamic behavior of system is essential for effective control and reliable operation of EPS, especially with the increasing complexity of the grid. Hence, the main aim of this work is to provide an estimate of the rotor speed signal that can be applied in the area of small-signal stability, in order to mitigate the detrimental effects of poorly damped electromechanical oscillations in EPSs. The developed approach is composed of two methods, where each of them is applicable depending on the characteristics of the problem to be solved and the available information. In the first method, a trajectory sensitivity technique is applied on the mismatch between the simulated output in the system linear model and the response of the real system. Using this error signal and the sensitivity curves, this method allows to identify and to calibrate some coefficients of the linear model and, consequently, to adequately describe the speed response of the generator under analysis. In this second method, a filtering technique is used, the Unscented Kalman Filter, which provides an adequate estimate for rotor speed even when high discrepancies are observed between the linear model and the sampled response of real system. The results obtained on test systems with different characteristics show the efficiency of the proposed approach.

A velocidade dos motores de indução é uma grandeza importante em um processo industrial. Entretanto, a medição direta da velocidade em motores de indução pode comprometer o sistema de acionamento e controle, aumentando o custo de implementação. Assim, as técnicas sensorless destinadas a estimar ou prever a velocidade em motores de indução são amplamente investigadas para uso em várias unidades industriais. Essa estratégia, quando baseada nos modelos matemáticos dos motores de indução é, normalmente, dependente dos parâmetros da máquina ou requer outro método que faça uma estimativa ou previsão. Assim, a abordagem alternativa deste trabalho consiste no uso de duas estratégias de implementação de redes neurais artificiais como estimador de velocidade aplicado a duas estratégias de controle do motor de indução orientado pelo campo do estator, controle direto de corrente e controle direto de torque. A velocidade síncrona, as correntes do estator e o torque eletromagnético, que são variáveis utilizadas nos algoritmos de acionamentos orientados no campo eletromagnético, são as entradas dos estimadores neurais propostos. Neste trabalho, resultados de simulação são aplicados no processo de seleção das redes neurais e os resultados experimentais mostram o desempenho de duas estratégias de implementação do estimador neural de velocidade embarcadas em DSP em diferentes metodologias de controle com dois motores de indução de potências diferentes. / The induction motor speed is an important quantity in an industrial process. However, the direct measurement of speed on induction motors can compromise the drive and control system, increasing the implementation cost. Thus, sensorless techniques aimed at estimating or predicting the speed in induction motors are widely investigated to be used in industrial plant units. This strategy, when based on the mathematical models of the induction motors is, usually, dependent on the machine parameters or requires another method that makes an estimation or prediction. Thus, the alternative approach of this work consists in the use of two implementation strategies of artificial neural networks as speed estimator applied to two stator field-oriented induction motor control strategies, direct current control and direct torque control. The synchronous speed, the stator currents and the electromagnetic torque, which are quantities used in field-oriented drives, are the inputs of the proposed neural estimators. In this work, simulation results are applied to neural networks selection process and the experimental results show the performance of two implementation strategies of the neural speed estimator embedded in DSP in different control methodologies with two induction motors with different powers.

Nesta tese de doutorado é proposta uma abordagem para estimar a velocidade angular de geradores síncronos conectados em um sistema elétrico de potência, a partir de sinais que podem ser facilmente mensurados, tais como a corrente e a tensão na barra do lado de alta tensão do transformador que conecta o gerador em análise ao restante do sistema. Uma vez que informações precisas sobre o comportamento dinâmico do sistema são de elevada importância para um controle efetivo do SEP, especialmente com o aumento da complexidade da rede, a abordagem proposta nesta tese fornece uma estimativa do sinal de velocidade que pode ser aplicada no estudo da estabilidade a pequenas perturbações para mitigar os problemas inerentes a presença das oscilações eletromecânicas mal amortecidas nos SEPs. A abordagem desenvolvida é composta por dois métodos sendo cada um deles aplicável dependendo das características do problema a ser resolvido e das informações disponíveis para tanto. No primeiro método, uma técnica de sensibilidade da trajetória é aplicada ao sinal de diferença entre a resposta obtida pelo modelo simulado e aquela fornecida por dados amostrados no sistema real emulado. A partir desse sinal de erro e das curvas de sensibilidade, a técnica possibilita calibrar os coeficientes de um modelo linear do SEP e, consequentemente, descrever de forma precisa a resposta da velocidade do gerador em análise. No segundo método, uma técnica de filtragem é utilizada (filtro de Kalman Unscented) a qual fornece uma estimativa adequada para a velocidade angular do rotor mesmo quando elevadas discrepâncias são observadas entre a saída do modelo simulado e a resposta amostrada no sistema real. Os resultados obtidos sobre diferentes sistemas testes evidenciam a eficiência da abordagem proposta. / In this thesis, an approach is proposed to estimate the rotor speed of synchronous generators connected to an electric power system (EPS), from signals that can be easily sampled by measuring equipment, such as current and voltage in high voltage side of the step-up transformer of the power plant. Accurate information about the dynamic behavior of system is essential for effective control and reliable operation of EPS, especially with the increasing complexity of the grid. Hence, the main aim of this work is to provide an estimate of the rotor speed signal that can be applied in the area of small-signal stability, in order to mitigate the detrimental effects of poorly damped electromechanical oscillations in EPSs. The developed approach is composed of two methods, where each of them is applicable depending on the characteristics of the problem to be solved and the available information. In the first method, a trajectory sensitivity technique is applied on the mismatch between the simulated output in the system linear model and the response of the real system. Using this error signal and the sensitivity curves, this method allows to identify and to calibrate some coefficients of the linear model and, consequently, to adequately describe the speed response of the generator under analysis. In this second method, a filtering technique is used, the Unscented Kalman Filter, which provides an adequate estimate for rotor speed even when high discrepancies are observed between the linear model and the sampled response of real system. The results obtained on test systems with different characteristics show the efficiency of the proposed approach.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 18446929 bytes, checksum: 4766e609aa9084be93f441b28db115b6 (MD5) Previous issue date: 2014-10-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The three phase induction motor (MIT) is the main system in electromechanical conversion, present in practically all industrial processes. Due to its versatility and low cost, the use of frequency inverters combined with MIT practically replaced the DC motors in systems requiring variation in angular velocity. For closed-loop control at MIT, without the use of speed sensors (sensorless), it is essential to estimate the velocity on the axis with high accuracy and with satisfactory response time. The proposed work has the object of analyzing different methods that can be employed to estimate the speed in sensorless axis, named according to their fundamental principle, they are: the method of harmonic slots, the torque in the air gap and the acoustic emission. The first mentioned is the best known non-invasive method in the state art, the second one was recently developed in the laboratory and the third one was exhibited here for the first time. All methods are compared with a reference instrument for measuring speed (tachometer). In order to obtain validation of the techniques we constructed a work bench tests basically composed by a three phase induction motor, torque meter and DC motor used as a generator (to enforce the axis load variable). The main objective of the study is to compare the methods for various situations of speed and load, also based on the degree of invasiveness and accuracy of each method. For the development and analysis of technique for harmonic slots and acoustic emission, a spectral analysis by Fourier transform of the current signal and the sound was performed, respectively. It was used tools such as MATLAB and LABVIEW for the computational study. After extensive experimental testing, the methods have been validated and it was obtained conclusions about different aspects of each discussed technique. / O motor de indução trifásico (MIT) é o principal sistema de conversão eletromecânica existente, presente em praticamente todos os processos industriais. Devido a sua versatilidade e razoável baixo custo, a utilização de inversores de frequência combinados com os MIT, praticamente, substituíram os motores de corrente contínua em sistemas que necessitam de variação de velocidade angular. Para o controle de malha fechada em MIT, sem a utilização de sensores de velocidade (sensorless), é fundamental que se estime a velocidade no eixo com alta exatidão e com tempo de resposta satisfatório. O trabalho proposto visa analisar diferentes métodos que podem ser empregados para estimação na velocidade no eixo sensorless, denominados de acordo com o seu princípio fundamental, são eles: método pela harmônicas das ranhuras, pelo torque no entreferro e pela emissão acústica. Sendo o primeiro citado, o método não-invasivo mais conhecido no estado arte, o segundo, desenvolvido recentemente em laboratório e o terceiro, exposto aqui pela primeira vez. Todos os métodos são comparados com um instrumento de referência para medida de velocidade (tacômetro). A fim de se obter a validação das técnicas empregadas foi construída uma bancada de testes experimentais composta basicamente por um motor de indução trifásico, torquímetro e motor de corrente contínua utilizado como gerador (para impor carga variável ao eixo). O principal objetivo do estudo é comparar os métodos para diversas situações de velocidade e carga, tendo também como base o grau de invasividade e exatidão de cada método. Para o desenvolvimento e análise da técnica pela harmônicas das ranhuras e da emissão acústica, foi realizada uma análise espectral pela Transformada de Fourier do sinal da corrente e do som, respectivamente. Usou-se para este estudo ferramentas computacionais como o LABVIEW e MATLAB. Depois de extensos ensaios experimentais, os métodos foram validados e obteve-se conclusões sobre diferentes aspectos de cada técnica analisada.

A velocidade dos motores de indução é uma grandeza importante em um processo industrial. Entretanto, a medição direta da velocidade em motores de indução pode comprometer o sistema de acionamento e controle, aumentando o custo de implementação. Assim, as técnicas sensorless destinadas a estimar ou prever a velocidade em motores de indução são amplamente investigadas para uso em várias unidades industriais. Essa estratégia, quando baseada nos modelos matemáticos dos motores de indução é, normalmente, dependente dos parâmetros da máquina ou requer outro método que faça uma estimativa ou previsão. Assim, a abordagem alternativa deste trabalho consiste no uso de duas estratégias de implementação de redes neurais artificiais como estimador de velocidade aplicado a duas estratégias de controle do motor de indução orientado pelo campo do estator, controle direto de corrente e controle direto de torque. A velocidade síncrona, as correntes do estator e o torque eletromagnético, que são variáveis utilizadas nos algoritmos de acionamentos orientados no campo eletromagnético, são as entradas dos estimadores neurais propostos. Neste trabalho, resultados de simulação são aplicados no processo de seleção das redes neurais e os resultados experimentais mostram o desempenho de duas estratégias de implementação do estimador neural de velocidade embarcadas em DSP em diferentes metodologias de controle com dois motores de indução de potências diferentes. / The induction motor speed is an important quantity in an industrial process. However, the direct measurement of speed on induction motors can compromise the drive and control system, increasing the implementation cost. Thus, sensorless techniques aimed at estimating or predicting the speed in induction motors are widely investigated to be used in industrial plant units. This strategy, when based on the mathematical models of the induction motors is, usually, dependent on the machine parameters or requires another method that makes an estimation or prediction. Thus, the alternative approach of this work consists in the use of two implementation strategies of artificial neural networks as speed estimator applied to two stator field-oriented induction motor control strategies, direct current control and direct torque control. The synchronous speed, the stator currents and the electromagnetic torque, which are quantities used in field-oriented drives, are the inputs of the proposed neural estimators. In this work, simulation results are applied to neural networks selection process and the experimental results show the performance of two implementation strategies of the neural speed estimator embedded in DSP in different control methodologies with two induction motors with different powers.