Orientadores: Luiz Carlos Pereira da Silva, Walmir de Freitas Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T14:34:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Abreu_LisiasVieiraLimade_M.pdf: 4055307 bytes, checksum: 5b3f4d39e414e1d305ec71b68f93ed3f (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Nesta dissertação de mestrado, apresenta-se um estudo detalhado sobre o desempenho dinâmico de geradores síncronos conectados em redes de distribuição de energia elétrica frente a grandes perturbações. Estudos paramétricos são realizados para investigar a influência de di-versos fatores na resposta transitória do gerador. Os fatores analisados são tempo de eliminação da falta, carregamento do sistema, níveis de curto-circuito no ponto de conexão entre o sistema de distribuição e a rede de subtransmissão, relação X/R das linhas de distribuição e constante de inércia dos geradores. Adicionalmente, propõe-se a utilização de índices numéricos que permitem visualizar de forma sistemática os resultados dos estudos paramétricos assim como determinar quais são as barras mais apropriadas para a instalação de geradores síncronos con-siderando o desempenho dinâmico do sistema / Abstract: In this dissertation, it is presented a detailed study about the dynamic performance of synchronous generators connected to distribution networks during large disturbances. Parame-tric studies are conducted in order to determine the influence of several factors on the transient response of the generator. The analyzed factors are fault clea / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

Este trabalho se insere num contexto de desenvolvimento da capacitação para aplicações de motores de relutância chaveados, com ênfase aos aspectos eletromagnéticos do acionamento. Inicialmente, são apresentados os principais aspectos construtivos do motor e de funcionamento do seu conversor. São discutidos os fluxos de energia do acionamento e sao apresentadas as suas características operacionais, bem como as possibilidades para o seu controle. Foi desenvolvida uma metodologia de projeto embasada numa formulação empírica e no método dos elementos finitos, implementado através do programa flux2d. Desta forma, foi projetado um protótipo para desenvolver meio newton-metro a três mil rotações por minuto. A formulação empírica baseia-se na adoção de diversas hipóteses simplificadoras do circuito ferromagnético. O método dos elementos finitos foi empregado com a finalidade da obtenção de um refinamento do dimensionamento do motor. O protótipo projetado foi fabricado e testado. Os objetivos dos ensaios foram a confrontação com os diversos valores calculados no projeto e a verificação do seu desempenho em diversas condições de carga. Finalizando o trabalho, os resultados obtidos são analisados, ressaltando-se os aspectos relevantes ocorridos durante o seu desenvolvimento. São também apresentadas, as atividades subsequêntes previstas. / This work is related to the development activities of switched reluctance motors, mainly on their electromagnetic characteristics. The motor\'s basic construction features and the converter\'s operation characteristics are showed, as well as, the energy flows, performance aspects and the effects of the control parameters. The principal elements of motor desigm are discussed. A method of design is developed based on empirical formulas and on finite elements method (using the software FLUX2D). Thus, a prototype was designed with ratings of 0,5 Nm at 3000 rpm. The empirical formulas are developed on a simplified model of the motor and taking into account the referred author\'s experience. The finite elements method was used with the aim of getting a design refinement, as well as, the static torque characteristics, inductances and flux as a function of rotor position and current. The prototype was built and tested. The tests were conducted to compare the actual with the designed parameters and to evaluate the performance characteristics. Finally, the results are analysed and the main facts observed during the development of the work are reported. The next planned activities are also showed.

O ensaio de resposta em frequência em geradores síncronos vem ganhando espaço nas últimas décadas, porém o alto custo dos equipamentos empregados para realização do ensaio ainda é um empecilho, tanto para fabricantes como para consumidores finais. Este trabalho tem por objetivo complementar trabalhos anteriores, através do uso de redes neurais artificiais para identificação de padrões em ensaios realizados com equipamentos de baixo custo e baixa resolução. Através das redes neurais artificiais utilizadas é possível estimar novos pontos de ensaio sem que seja necessário um novo ensaio ou até mesmo um ensaio com equipamentos mais caros. Através de uma combinação de algoritmos de tratamento de dados, é possível a aproximação de modelos ensaiados com modelos teóricos e através desses resultados obter parâmetros elétricos dos geradores síncronos. / The frequency response test on synchronous generators has been increasing in recent decades, but the high cost of equipment used for conducting the test is still a stumbling block for both manufacturers and end-consumers. This dissertation aims to complement previous work, through the use of artificial neural networks to identify patterns in tests conducted with low-cost and low-resolution equipment. Through the artificial neural networks used it is possible to estimate a new set of test points without retesting is necessary or even a more expensive assay equipments. Through a combination of data processing algorithms, the approach tested models with theoretical models is possible and through these results to obtain electrical parameters of synchronous generators.

Com o advento da internet, a comunicação entre sistemas remotos foi amplamente facilitada, tornando viável a aplicação de sistemas supervisórios através dela, principalmente via protocolo TCP/IP. Embora esses sistemas já sejam empregados na indústria, principalmente utilizando como driver os controladores lógicos programáveis (CLP\'s), a implementação de qualquer sistema mais simples de supervisionamento teria um custo elevado, devido tanto ao preço do hardware quanto do software envolvido. Além disso, os programas supervisórios existentes fornecem um número limitado de recursos de visualização, que se restringem principalmente ao software. Assim, o que se propõe nesse trabalho é um sistema supervisório de baixo custo, via TCP/IP, aplicado em máquinas elétricas, mas que pode ser generalizado na supervisão de outros tipos de sistemas, onde o monitoramento remoto é necessário. Além da exibição convencional dos parâmetros supervisionados através de gráficos e labels, o sistema permite também que esses sejam exibidos através de painéis eletrônicos, fornecendo assim, uma nova interface visual ao usuário com o intuito de facilitar sua supervisão. / The advent of internet simplified the comunication between remote systems, allowing the application of supervisory systems through the internet, mainly using the TCP/IP protocol. Although these systems have already been employed in industry, using the Programmer Logic Controller (PLC\'s) as driver, the implementation of any simple supervisory system could have an expensive cost, due to the prices of hardware and software employed. Moreover, the existing supervisory systems provide limited visual resources, restricted to the used software. So, this work presents a low cost supervisory system, via TCP/IP, applied to electric machines but it can be generalized in the supervision of differents types of systems, where the remote monitoring is necessary. Besides the conventional displaying of the monitored parameters through graphics and labels, the developed system allows the exhibition of the supervisioned parameters using eletronic panels, providing an alternative visual interface to the user so that their supervision becomes easier.

Considerando-se o atual estagio de desenvolvimento das máquinas elétricas, tanto em termos de ferramentas computacionais auxiliares nas simulações e nos projetos, quanto de materiais e sistemas eletrônicos de acionamento e controle, propõe neste trabalho a construção de um dispositivo eletromecânico, na classe dos motores elétricos lineares, que atenda as necessidades e se aplique a bioengenharia, mais propriamente as próteses de membro superior, na forma de acionador translacional. Este dispositivo deve substituir os sistemas que utilizam motores elétricos rotativos com mecanismos de adaptação mecânica (roldanas, vários fios, redutores), que convertem o movimento rotacional em linear. Também, os dispositivos híbridos, como atuadores eletro-hidráulicos e eletropneumáticos, que necessitam de fontes de energia de naturezas diferentes da eletroeletrônica, podem ser substituídos pelas maquinas elétricas lineares. Uma revisão dos conceitos relacionados a área de bioengenharia e feita, destacando-se os mecanismos de transmissão existentes. E apresentada uma analise comparativa entre os principais motores lineares, enfatizando-se as características construtivas, as vantagens e as desvantagens de cada um, relacionados a aplicação. A escolha da maquina a ser projetada e construída recaiu no motor linear síncrono, com imas permanentes na superfície da parte móvel, em uma estrutura tubular. Para esta maquina, e exposta uma metodologia de projeto, baseando-se nos seguintes tópicos: equacionamento do circuito magnético, cálculos de parâmetros utilizando-se o método dos elementos finitos e modelagem matemática por meio das equações por fase. Apos a etapa teórica, a construção da maquina e apresentada juntamente com os ensaios experimentais, possibilitando a comparação das características reais em relação ao projeto inicial. Por fim, o motor e aplicado ao dedo artificial, verificando-se a sua capacidade de substituição do motor rotativo. / By means of the latest technological advances of the electrical machines, both in terms of computational aids in simulations and designs, materials and electronic systems of drive and control, this work put forward the construction of an electromechanical device, in the class of the linear motors. It will be applied to bioengineering area, in particular in upper limb prostheses, in the form of a translational actuator. This linear motor must substitute the systems that use electric rotational motors with planetary gears and lead screw transmission, to convert the rotational movement into linear. The hybrid mechanisms, like electro pneumatic/hydraulic actuators, which need energy sources different from electronics, can be changed for the linear electric machines too. A review about bioengineering topics is done, where the existent mechanical mechanisms are highlighted. According to the application necessities, the advantages and disadvantages of different topologies of electric linear machines are compared and the constructive characteristics are emphasized. The tubular linear synchronous motor, with permanent magnets on the surface of the mobile part, was chosen to be applied to hand prostheses. To this machine, a design methodology is presented for calculating the motor dimensions, based on the following subjects: magnetic circuit equating, finite element analyses to evaluate parameters and machine dynamic modeling. After the theorethical stage, the construction of the machine is presented with the experimental results, allowing comparisons between the real characteristics and the initial design features of the motor. Finally, the machine is applied to an artificial finger to verify its capability to replace the rotational motor.

Este trabalho se insere num contexto de desenvolvimento da capacitação para aplicações de motores de relutância chaveados, com ênfase aos aspectos eletromagnéticos do acionamento. Inicialmente, são apresentados os principais aspectos construtivos do motor e de funcionamento do seu conversor. São discutidos os fluxos de energia do acionamento e sao apresentadas as suas características operacionais, bem como as possibilidades para o seu controle. Foi desenvolvida uma metodologia de projeto embasada numa formulação empírica e no método dos elementos finitos, implementado através do programa flux2d. Desta forma, foi projetado um protótipo para desenvolver meio newton-metro a três mil rotações por minuto. A formulação empírica baseia-se na adoção de diversas hipóteses simplificadoras do circuito ferromagnético. O método dos elementos finitos foi empregado com a finalidade da obtenção de um refinamento do dimensionamento do motor. O protótipo projetado foi fabricado e testado. Os objetivos dos ensaios foram a confrontação com os diversos valores calculados no projeto e a verificação do seu desempenho em diversas condições de carga. Finalizando o trabalho, os resultados obtidos são analisados, ressaltando-se os aspectos relevantes ocorridos durante o seu desenvolvimento. São também apresentadas, as atividades subsequêntes previstas. / This work is related to the development activities of switched reluctance motors, mainly on their electromagnetic characteristics. The motor\'s basic construction features and the converter\'s operation characteristics are showed, as well as, the energy flows, performance aspects and the effects of the control parameters. The principal elements of motor desigm are discussed. A method of design is developed based on empirical formulas and on finite elements method (using the software FLUX2D). Thus, a prototype was designed with ratings of 0,5 Nm at 3000 rpm. The empirical formulas are developed on a simplified model of the motor and taking into account the referred author\'s experience. The finite elements method was used with the aim of getting a design refinement, as well as, the static torque characteristics, inductances and flux as a function of rotor position and current. The prototype was built and tested. The tests were conducted to compare the actual with the designed parameters and to evaluate the performance characteristics. Finally, the results are analysed and the main facts observed during the development of the work are reported. The next planned activities are also showed.

Este trabalho apresenta as características básicas de uma máquina elétrica com fluxo axial, ímãs permanentes, rotor duplo e estator com enrolamentos toroidais montado entre os rotores. A máquina foi construída no Laboratório de Máquinas Elétricas, Acionamentos e Energia da Escola de Engenharia da UFRGS. O trabalho contém modelos analíticos para as induções magnéticas dos ímãs permanentes e dos enrolamentos de armadura. A partir dos modelos foram desenvolvidas expressões para o cálculo de forças eletromotrizes e de conjugados, sendo utilizado um software de matemática simbólica para realização dos cálculos. É apresentada uma comparação entre os resultados obtidos através do modelo analítico e os resultados obtidos por simulação numérica. Alguns resultados são comparados também com valores experimentais. As expressões para o cálculo de conjugado desenvolvido pela máquina serão detalhadas em uma etapa posterior. Foi obtida uma razoável coerência entre os dados comparados. / This work presents the basic features of an axial flux, permanent magnet, double rotor and toroidal windings mounted between the rotors. The machine was built in the Laboratory of Electrical Machines, Drives and energy of the School of Engineering of the Federal University of Rio Grande do Sul. The work contains analytical models of permanent magnets and armature windings magnetic inductions. Based in models, expressions of electromotive forces and torques were derived. The calculations were performed with a symbolical mathematical software. It is presented a comparison between results obtained with analytical model and results of the numerical simulation. Some comparisons include experimental results. The expressions of machine torque will be detailed in a next phase. The compared results present an acceptable conformity.

Considerando-se o atual estagio de desenvolvimento das máquinas elétricas, tanto em termos de ferramentas computacionais auxiliares nas simulações e nos projetos, quanto de materiais e sistemas eletrônicos de acionamento e controle, propõe neste trabalho a construção de um dispositivo eletromecânico, na classe dos motores elétricos lineares, que atenda as necessidades e se aplique a bioengenharia, mais propriamente as próteses de membro superior, na forma de acionador translacional. Este dispositivo deve substituir os sistemas que utilizam motores elétricos rotativos com mecanismos de adaptação mecânica (roldanas, vários fios, redutores), que convertem o movimento rotacional em linear. Também, os dispositivos híbridos, como atuadores eletro-hidráulicos e eletropneumáticos, que necessitam de fontes de energia de naturezas diferentes da eletroeletrônica, podem ser substituídos pelas maquinas elétricas lineares. Uma revisão dos conceitos relacionados a área de bioengenharia e feita, destacando-se os mecanismos de transmissão existentes. E apresentada uma analise comparativa entre os principais motores lineares, enfatizando-se as características construtivas, as vantagens e as desvantagens de cada um, relacionados a aplicação. A escolha da maquina a ser projetada e construída recaiu no motor linear síncrono, com imas permanentes na superfície da parte móvel, em uma estrutura tubular. Para esta maquina, e exposta uma metodologia de projeto, baseando-se nos seguintes tópicos: equacionamento do circuito magnético, cálculos de parâmetros utilizando-se o método dos elementos finitos e modelagem matemática por meio das equações por fase. Apos a etapa teórica, a construção da maquina e apresentada juntamente com os ensaios experimentais, possibilitando a comparação das características reais em relação ao projeto inicial. Por fim, o motor e aplicado ao dedo artificial, verificando-se a sua capacidade de substituição do motor rotativo. / By means of the latest technological advances of the electrical machines, both in terms of computational aids in simulations and designs, materials and electronic systems of drive and control, this work put forward the construction of an electromechanical device, in the class of the linear motors. It will be applied to bioengineering area, in particular in upper limb prostheses, in the form of a translational actuator. This linear motor must substitute the systems that use electric rotational motors with planetary gears and lead screw transmission, to convert the rotational movement into linear. The hybrid mechanisms, like electro pneumatic/hydraulic actuators, which need energy sources different from electronics, can be changed for the linear electric machines too. A review about bioengineering topics is done, where the existent mechanical mechanisms are highlighted. According to the application necessities, the advantages and disadvantages of different topologies of electric linear machines are compared and the constructive characteristics are emphasized. The tubular linear synchronous motor, with permanent magnets on the surface of the mobile part, was chosen to be applied to hand prostheses. To this machine, a design methodology is presented for calculating the motor dimensions, based on the following subjects: magnetic circuit equating, finite element analyses to evaluate parameters and machine dynamic modeling. After the theorethical stage, the construction of the machine is presented with the experimental results, allowing comparisons between the real characteristics and the initial design features of the motor. Finally, the machine is applied to an artificial finger to verify its capability to replace the rotational motor.