Visando analisar o comportamento de um gerador de ímãs permanentes a partir de diferentes pontos de carga aplicada, quantificando a magnetização dos ímãs presentes, desenvolveu-se um protótipo com desenho propício à adaptação para geradores eólicos. Como o objetivo é a obtenção do comportamento da magnetização dos ímãs permanentes com vários pontos de carga acoplada, optou-se pela utilização de ímãs de ferrite, com valor médio da densidade de fluxo magnético remanente (Br) igual a 0,39 T. Desta forma, o valor da carga acoplada não necessita atingir valores elevados para verificação da variação do comportamento da tensão após aplicação de carga, facilitando a avaliação de possível desmagnetização parcial ou total dos ímãs instalados. Adicionalmente é estudada divisão de carga do gerador, com tensão de saída retificada, operando em paralelo com um barramento C.C. ou banco de baterias. É apresentada uma abordagem analítica de estudo da desmagnetização dos ímãs permanentes do gerador, bem como um levantamento experimental do mesmo. Conduta semelhante é adotada no estudo da divisão de carga. / Aiming to analyze the performance of a permanent magnet generator, operating under variable load and quantifying the corresponding condition of its magnets, we have developed a prototype adaptable to wind generators. As one of the purposes of this work is to study the magnetic performance of the permanent magnets in several points of load, we have chosen ferrite magnets with average remanence (Br) of 0.39 T. Thus, even light variations in load are enough to verify the variation of the generated voltage, which eases the rating of total or partial demagnetization of the installed magnets. Additionally, we study load share of that generator, with rectified output, operating in parallel with D.C. bus or battery bank. An analytic approach of demagnetization of the generator\'s permanent magnets is also presented, as well as an experimental survey of it. A similar procedure is adopted in the study of the load share.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

Este trabalho tem como objetivo uma análise da operação Assíncrona da Máquina Síncrona, atuando como gerador e como motor. Após as considerações gerais do Capítulo I, referentes aos transitórios eletromecânicos nas máquinas Síncronas, apresentamos no Capítulo II um método de análise para o estudo da Operação Assíncrona como gerador; cujos resultados são aplicados à previsão do comportamento de duas máquinas Síncronas reais, um hidro-gerador e um turbo-gerador. Ainda neste Capítulo oferecemos, para uma terceira máquina, uma comparação de resultados obtidos pelo método ora apresentado e por método elaborado por outros autores. No Capítulo III estabelecemos um confronto entre os resultados obtidos experimentalmente em máquina existente em nossos laboratórios. Face à abrangência do método aqui desenvolvido, no Capítulo VI aplicamo-lo também à análise do importante problema da partida da máquina síncrona como motor assíncrono, com a devida consideração das ações próprias do enrolamento amortecedor e do enrolamento de campo, a ser fechado através de resistores adequados. As conclusões vem resumidas no Capítulo V, onde sugerimos futuros trabalhos, incluindo efeitos aqui não considerados, visando o aprimoramento dos resultados obtidos. Os processos adotados para a determinação experimental de parâmetros bem como as expressões das constantes necessárias para a aplicação do método ora desenvolvido, resultantes da solução de sistemas de equações simultâneas, encontram-se nos Apêndices I e II. / This work is concerned with the analysis of the Assynchronous Operation of Synchronous Machines acting as generator and motor. After the general considerations in Chapter I, referring to electromechanical transients in Synchronous Machines, we introduce in Chapter II a method of analysis of Assynchronous Operation as a generator, whose results are applied to the prevision of the performance of two real synchronous machines, an hidro-generator and a turbo-generator. We also present in the same Chapter, for a third machine, a comparison of the results obtained by the method here introduced and these obtained by another method by other authors. In Chapter III we offer a comparison of the theoretical results obtained with field test results in machine of our laboratories. The method here developed is not restricted to any particular condition of operation. So, in Chapter IV we applied it to an important problem involving synchronous machine: the starting of synchronous motor by the action of damper and field windings, the last one closed through suitable resistors. The conclusions are resumed in Chapter V, where we suggest future works, including effects not considered here, looking for new approachs to the results. In appendix I we explain the experimental methods for the determination of the parameters of the machine and in the Appendix II we summarize the expressions of the several constants which came from the solution of systems of differential equations.

O presente trabalho traz o estudo da simulação do desempenho (simulação de marcha) de uma composição ferroviária acionada através de inversores de tensão e motores de indução e alimentada em corrente contínua, um tipo de material rodante recentemente introduzido no Brasil. Tal fato faz com que seja necessário o desenvolvimento de métodos de análise das características deste tipo de material, objetivo maior deste trabalho. A metodologia de análise aqui desenvolvida tem como base a teoria da tração elétrica para o equacionamento da dinâmica do movimento, a teoria do controle do motor de indução e a teoria do funcionamento do próprio motor de indução para a obtenção da corrente captada por esta composição - um dos principais resultados obtidos. A aplicação desta metodologia é dada através da simulação de uma composição em três tipos de vias diferentes. Uma análise posterior dos resultados traz a possibilidade de uma simplificação do método de obtenção da corrente captada. Tal possibilidade é apresentada e comparada com os dados anteriormente obtidos validando-a. / This dissertation is a study of the duty cycle simulation of inverter-fed induction traction drives for DC-supplied railway system. This type of equipment is new in Brazilian railway and subway systems and the need to model and to simulate became an important issue and the aim of this dissertation. The development of the model is based on electric railway traction theory for train dynamics, on inverter-fed induction machine control and induction machine theory to calculate the input line current from power supply - one of the most important results. As an example, a modeling and simulation of one train running in three different lines is shown. The analysis of the results shows that the input line current from power supply may be obtained by a simplified model. This hypothesis is studied, the results are compared and the simplified model is then validated.

Este trabalho propõe a análise de curtos-circuitos trifásicos em geradores de indução duplamente alimentados (DFIG Doubly Fed Induction Generator). Os DFIGs voltam à pauta de hidrogeração devido aos recentes investimentos em usinas hidrelétricas reversíveis com velocidade variáveis empregando DFIGs. Esta configuração de geração, que permite velocidade do eixo diferente da frequência da rede, também é uma opção para usinas hidrelétricas convencionais, trazendo benefícios em termos de eficiência energética, estabilidade e otimização do sistema de potência. As pesquisas envolvendo este tipo de gerador tem se concentrado em aplicações para energia eólica. Os estudos são focados em aspectos de controle e otimização da geração não havendo muitos trabalhos voltados ao estudo de curto-circuito do ponto de vista da máquina principalmente relativos à solução analítica. Os trabalhos voltados a transitórios tratam em geral de afundamentos de tensão na linha de transmissão e metodologias para manter o gerador conectado ao sistema durante estes transitórios. Na área de hidrogeração, na maioria dos casos, os estudos tratam de aspectos de controle, de otimização da operação e de ganhos para o sistema de potência quando do uso do DFIG. Assim, faz-se necessário aumentar a gama de estudos do comportamento desses geradores frente a transientes elétricos, mais especificamente a curtos-circuitos. Para o estudo de transientes do curto-circuito trifásico foi desenvolvida a solução analítica e um modelo baseado no proposto por Krause (KRAUSE, 2002) para simulação em Simulink do Matlab para comparação de resultados. / This work proposes the analysis of three-phase short circuit on doubly fed induction generator, DFIG. This generator is again a subject of study for hydrogeneration as per recent investments on variable-speed Pumped Storage Power Plants. This configuration, which allows asynchronous shaft speed, is also an alternative for conventional hydro power plants, providing improvements on energy efficiency and stability and optimization of power system. Current studies on this subject are focused on wind power applications, covering mostly control and generation optimization aspects while there aren\'t so many studies on short-circuit especially with analytical solution. Electrical transient studies are usually covering voltage dips or sags on transmission line and associated methods to maintain power unit connected to power system during such. The researches on hydro power are also about control, operational optimization and power system improvements when DFIGs are installed. Thus, it is necessary to contribute to research regarding behavior of such generators under electrical transient conditions, more specifically under short circuits. The analytical equation for three-phase short circuit was developed as well the electric model based on the one proposed by Krause (KRAUSE, 2002) for simulations on Simulink of Matlab.

Este trabalho tem como objetivo uma análise da operação Assíncrona da Máquina Síncrona, atuando como gerador e como motor. Após as considerações gerais do Capítulo I, referentes aos transitórios eletromecânicos nas máquinas Síncronas, apresentamos no Capítulo II um método de análise para o estudo da Operação Assíncrona como gerador; cujos resultados são aplicados à previsão do comportamento de duas máquinas Síncronas reais, um hidro-gerador e um turbo-gerador. Ainda neste Capítulo oferecemos, para uma terceira máquina, uma comparação de resultados obtidos pelo método ora apresentado e por método elaborado por outros autores. No Capítulo III estabelecemos um confronto entre os resultados obtidos experimentalmente em máquina existente em nossos laboratórios. Face à abrangência do método aqui desenvolvido, no Capítulo VI aplicamo-lo também à análise do importante problema da partida da máquina síncrona como motor assíncrono, com a devida consideração das ações próprias do enrolamento amortecedor e do enrolamento de campo, a ser fechado através de resistores adequados. As conclusões vem resumidas no Capítulo V, onde sugerimos futuros trabalhos, incluindo efeitos aqui não considerados, visando o aprimoramento dos resultados obtidos. Os processos adotados para a determinação experimental de parâmetros bem como as expressões das constantes necessárias para a aplicação do método ora desenvolvido, resultantes da solução de sistemas de equações simultâneas, encontram-se nos Apêndices I e II. / This work is concerned with the analysis of the Assynchronous Operation of Synchronous Machines acting as generator and motor. After the general considerations in Chapter I, referring to electromechanical transients in Synchronous Machines, we introduce in Chapter II a method of analysis of Assynchronous Operation as a generator, whose results are applied to the prevision of the performance of two real synchronous machines, an hidro-generator and a turbo-generator. We also present in the same Chapter, for a third machine, a comparison of the results obtained by the method here introduced and these obtained by another method by other authors. In Chapter III we offer a comparison of the theoretical results obtained with field test results in machine of our laboratories. The method here developed is not restricted to any particular condition of operation. So, in Chapter IV we applied it to an important problem involving synchronous machine: the starting of synchronous motor by the action of damper and field windings, the last one closed through suitable resistors. The conclusions are resumed in Chapter V, where we suggest future works, including effects not considered here, looking for new approachs to the results. In appendix I we explain the experimental methods for the determination of the parameters of the machine and in the Appendix II we summarize the expressions of the several constants which came from the solution of systems of differential equations.

Os motores de corrente contínua convencionais são muito bem conhecidos pela sua robustez e pelo seu alto nível de controlabilidade, alem do fato de possibilitarem a operação na região de enfraquecimento de campo (modo motor), quando esta situação se fizer necessária. Por estas características, as máquinas de corrente contínua ainda são empregadas nos dias atuais em nichos específicos de utilização. Não obstante, a máquina c.c. apresenta algumas desvantagens, principalmente a intensiva e dispendiosa manutenção eletromecânica necessária para sua operação. Como opção de sanar este problema, surgiram na década de 60, as máquinas elétricas de corrente contínua sem escovas (brushless) com excitação por ímãs permanentes de fluxo trapezoidal. O problema destas máquinas se deve justamente a impossibilidade da variação de fluxo de excitação uma vez que são produzidos puramente pelos ímãs. Sendo assim, este trabalho tem como propósito, o estudo de topologias diferenciadas da máquina elétrica, através de um circuito magnético não convencional para aplicação e utilização em sistemas de tração elétrica para operação na região de enfraquecimento de campo através da variação do fluxo resultante no entreferro. Como objeto de estudo, foi focada a topologia de fluxo axial com excitação híbrida, ou seja, dupla excitação (excitação a ímãs permanentes e excitação elétrica). Para o projeto da topologia proposta, nesta tese, adicionalmente ao método analítico, foram realizadas simulações computacionais para a comparação e refinamento dos resultados das grandezas eletromagnéticas da máquina. / DC motors haves been used for almost two centuries. They are very well known not only its excellent torque response, but also because they can operate at the flux weakening region, when this situation is required. Due these characteristics, nowadays, the dc machines haves been used in specific niches of utilization. Nonetheless, this sort of machine presents a disadvantage, specifically the problem of exhaustive electromechanical maintenance required. In order to solve this type of problem, during the 1960\'s, the permanent magnet trapezoidal brushless dc machines were developed. The problem in this kind of machine is the dificulty to obtain excitation flux variation, since there is only a permanent magnet excitation system. Hence, the aim of this thesis is a study of non conventional electric machines topology for application and utilization in electric traction systems for operation at weakening flux region through the changing of resulting air-gap flux. As purpose of the study, an axial flux hybrid excitation topology was focused, i.e, a double excitation system (a permanent excitation and an electric excitation) to make its operation at the constant power region possible keeping the flux density level in the critical parts of the machine under the saturation point. Additionally, for design the topology proposed, in this thesis, computational simulations were done in order to compare with the results obtained from the analytical method.

O presente trabalho propõe a utilização do método de otimização baseado no paradigma de enxame de partículas no projeto de um dispositivo eletromagnético, modelado analiticamente. A otimização baseada em enxames de partículas pertence à classe dos algoritmos evolutivos e é baseada no algoritmo de simulação do movimento de pássaros na busca por comida. O trabalho será focado na resolução de problemas de otimização multiobjetivo e apenas alguns casos de otimização mono-objetivo serão resolvidos para demonstrar a funcionalidade do método de otimização. Dois métodos de otimização multiobjetivo são propostos: um é baseado num algoritmo de otimização multiobjetivo que utiliza o paradigma de enxames em conjunto com soluções adotadas pelo algoritmo genético multiobjetivo denominado Nondominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) e o outro é baseado também no paradigma de enxames utilizando elementos do algoritmo de otimização multiobjetivo intitulado Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Ambos algoritmos são validados em um problema de otimização baseado no projeto de um motor de corrente contínua sem escovas, um benchmark de otimização. / This work proposes the use of the optimization method based on the particle swarm paradigm in the design of electromagnetic device, analytically modeled. Particle swarm optimization belongs to the class of evolutionary algorithms and is based on the movement simulation of birds searching for food. This work will be focused on solving multi-criteria optimization problems and some cases of single-objective optimization problems will be solved only to demonstrate the functionality of optimization method. Two multi-criteria optimization methods are proposed: one based on an optimization algorithm that uses the multiobjective particle swarm paradigm and some concepts extracted from the multiobjective genetic algorithm called Nondominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) and the other is based on the particle swarm paradigm by using some elements of another multiobjective optimization algorithm entitled Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA). Both methods are applied to an optimization problem related to the design of a brushless direct current motor.

Visando analisar o comportamento de um gerador de ímãs permanentes a partir de diferentes pontos de carga aplicada, quantificando a magnetização dos ímãs presentes, desenvolveu-se um protótipo com desenho propício à adaptação para geradores eólicos. Como o objetivo é a obtenção do comportamento da magnetização dos ímãs permanentes com vários pontos de carga acoplada, optou-se pela utilização de ímãs de ferrite, com valor médio da densidade de fluxo magnético remanente (Br) igual a 0,39 T. Desta forma, o valor da carga acoplada não necessita atingir valores elevados para verificação da variação do comportamento da tensão após aplicação de carga, facilitando a avaliação de possível desmagnetização parcial ou total dos ímãs instalados. Adicionalmente é estudada divisão de carga do gerador, com tensão de saída retificada, operando em paralelo com um barramento C.C. ou banco de baterias. É apresentada uma abordagem analítica de estudo da desmagnetização dos ímãs permanentes do gerador, bem como um levantamento experimental do mesmo. Conduta semelhante é adotada no estudo da divisão de carga. / Aiming to analyze the performance of a permanent magnet generator, operating under variable load and quantifying the corresponding condition of its magnets, we have developed a prototype adaptable to wind generators. As one of the purposes of this work is to study the magnetic performance of the permanent magnets in several points of load, we have chosen ferrite magnets with average remanence (Br) of 0.39 T. Thus, even light variations in load are enough to verify the variation of the generated voltage, which eases the rating of total or partial demagnetization of the installed magnets. Additionally, we study load share of that generator, with rectified output, operating in parallel with D.C. bus or battery bank. An analytic approach of demagnetization of the generator\'s permanent magnets is also presented, as well as an experimental survey of it. A similar procedure is adopted in the study of the load share.

A finalidade inicial deste estudo é desenvolver uma metodologia de análise da ondulação de torque de um motor de relutância chaveado especial bifásico com 4 pólos no estator e 2 no rotor (MRC 4/2) através de dados experimentais de aceleração. De forma a validar o método proposto, são apresentados resultados experimentais de aceleração obtidos com dois rotores: o rotor de referência e o rotor otimizado. Uma vez alcançados os objetivos de otimização do torque através da modificação da geometria do rotor, implementou-se um estudo complementar de modo a explorar a vibração e a ondulação de torque, do ponto de vista do acionamento. Desta forma, desenvolveu-se uma plataforma digital de testes, onde os dados de aceleração podem ser monitorados no domínio da frequência, e os parâmetros de controle do acionamento, tais como, a velocidade, os ângulos de ligamento e condução são flexíveis e podem ser alterados através de programa. A plataforma digital foi concebida a partir de um kit de desenvolvimento (eZdsp LF2407A) associado a uma interface de controle serial, desenvolvida a partir de um aplicativo LabView, instalado num microcomputador. / The initial purpose of this study is to develop a methodology of analysis of the torque ripple of a two-phase special SRM 4/2 using acceleration experimental data. In order to validate the proposed method, acceleration experimental results are presented, these results were obtained with two rotors: the reference rotor and the optimized rotor. Once the torque optimization objectives were reached by modifying the rotor geometry, a complementary study from the point of view of motor drive vibration and torque ripple optimization was carried out. Thus, a test digital setup was developed, where the acceleration data could be monitored, in the frequency domain, and the drive control parameters, such as speed, turn-on and dwell angles, and phase current were flexible and could be altered by program. The test digital setup was conceived using a development kit (eZdsp LF2407A) associated with a serial control interface developed on a LabView application, installed in a microcomputer.