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.

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.

Este trabalho apresenta uma estratégia alternativa aos métodos tradicionais de controle de velocidade de motores de introdução e motores de corrente contínua utilizando a Teoria Não-Faseada.A adaptação dos ganhos do Controlador PI Não-Falseado em tempo real baseia-se desta forma, a necessidade de um modelo de planta para a sintonia do controlador.Resultados comparativos com controladores proporcionais integrais são apresentados para validar a proposta. / This work presents an alternative strategy to tradicional speed control methods for three-phase induction motor and direct current motor by using the Unfalsified Control Theory.The adaptation real time PI controller gain is basead on the selection of eligible sets through a learning algorithm.The requeriment for a plant model used in the controller tuning is thus eliminated. Simulation results of the adaptive proportional integral controller that validate the proposal are presented.

As características de desempenho dos motores trifásicos de indução são fundamentais para estudos de viabilidade econômica, tanto para a manutenção como para a substituição por motores que apresentem melhor rendimento, visando à economia de energia. Existem diversos procedimentos para determinar o desempenho das máquinas de indução, no entanto, são procedimentos baseados em ensaios que exigem o desacoplamento mecânico, comprometendo assim a praticidade, sem contar no custo da instrumentação envolvida. Este trabalho apresenta o estudo e implementação de dois métodos distintos para estimar o rendimento de forma pouco intrusiva, método do torque no entreferro e método do circuito equivalente. Nesse último são estudadas duas técnicas, a primeira estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um conjunto de equações definidas pela resolução do modelo da máquina, e a segunda, estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um algoritmo de identificação por mínimos quadrados. Por fim são mostrados os resultados da aplicação das metodologias propostas no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, onde então é apresentada uma análise dessas técnicas, considerando os aspectos de precisão e incerteza. / The performance characteristics of three-phase motors are essential for economic feasibility studies, for both maintenance and for replacement by motors that have better efficiency, to save energy. There are several procedures based on tests that require mechanical uncoupling, thereby committing practicality, without counting the cost of the instrumentation involved. This work presents the study and implementation of two different methods to estimate the efficiency in low intrusive order, method of air gap torque and method of equivalent circuit. In the latter, two techniques are studied, the first estimates the equivalent circuit parameters though a set of equations defined by the resolution of the machine model, and second, estimates the equivalent circuit parameters by means of an identification algorithm for least squares. Finally shows the results of applying the proposed methodologies in the Laboratory of Energy Efficiency and Water Sanitation – LENHS in Federal University of Rio Grande do Sul, where it is then presented an analysis of these techniques, considering aspects of precision an uncertainty.

As características de desempenho dos motores trifásicos de indução são fundamentais para estudos de viabilidade econômica, tanto para a manutenção como para a substituição por motores que apresentem melhor rendimento, visando à economia de energia. Existem diversos procedimentos para determinar o desempenho das máquinas de indução, no entanto, são procedimentos baseados em ensaios que exigem o desacoplamento mecânico, comprometendo assim a praticidade, sem contar no custo da instrumentação envolvida. Este trabalho apresenta o estudo e implementação de dois métodos distintos para estimar o rendimento de forma pouco intrusiva, método do torque no entreferro e método do circuito equivalente. Nesse último são estudadas duas técnicas, a primeira estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um conjunto de equações definidas pela resolução do modelo da máquina, e a segunda, estima os parâmetros do circuito equivalente por meio de um algoritmo de identificação por mínimos quadrados. Por fim são mostrados os resultados da aplicação das metodologias propostas no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento – LENHS da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, onde então é apresentada uma análise dessas técnicas, considerando os aspectos de precisão e incerteza. / The performance characteristics of three-phase motors are essential for economic feasibility studies, for both maintenance and for replacement by motors that have better efficiency, to save energy. There are several procedures based on tests that require mechanical uncoupling, thereby committing practicality, without counting the cost of the instrumentation involved. This work presents the study and implementation of two different methods to estimate the efficiency in low intrusive order, method of air gap torque and method of equivalent circuit. In the latter, two techniques are studied, the first estimates the equivalent circuit parameters though a set of equations defined by the resolution of the machine model, and second, estimates the equivalent circuit parameters by means of an identification algorithm for least squares. Finally shows the results of applying the proposed methodologies in the Laboratory of Energy Efficiency and Water Sanitation – LENHS in Federal University of Rio Grande do Sul, where it is then presented an analysis of these techniques, considering aspects of precision an uncertainty.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-23T03:18:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 349539.pdf: 4571627 bytes, checksum: 40ceff0ae655ec66616e70aa7d5b36b4 (MD5) Previous issue date: 2017 / Este trabalho apresenta a implementação de uma estrutura de controle em cascata, muito utilizada em sistemas que possuem dois laços de controle com diferentes constantes de tempo e acesso ao sinal intermediário. O sistema de controle proposto é implementado em um hardware de alto desempenho, o myRIO, que possui um arranjo de portas programável em campo (FPGA) customizável e um processador que trabalha com um sistema operacional de tempo real, garantindo confiabilidade e determinismo ao sistema. Na malha interna da estrutura em cascata, é aplicado um controlador proporcional-integral (PI) implementado em FPGA e, na malha externa, é aplicado um controlador preditivo generalizado (GPC) implementado para execução no sistema operacional de tempo real do myRIO. A estrutura de controle foi desenvolvida de maneira que possa ser aplicada em diferentes sistemas monovariáveis, contudo foi escolhida uma planta de laboratório de controle de velocidade e corrente de um motor de corrente contínua como estudo de caso. Os resultados experimentais validaram a implementação em ambas as camadas. O período de amostragem que foi alcançado na implementação do PI no FPGA foi inferior a 10 µs e o período de amostragem da implementação do GPC no sistema operacional de tempo real foi de 13 ms (valor do tempo máximo observado), com período médio de execução inferior a 5 ms. / Abstract : This work presents the implementation of a cascade control structure, widely used in systems that have two control loops with different time constants and access to the intermediate signal. The proposed control system is implemented in a high performance hardware, myRIO, wich has a customizable field programmable gate array (FPGA) and a processor that works with a real-time operating system, guaranteeing reliability and determinism to the system. In the internal loop of the cascade structure, a proportional-integral controller (PI) implemented in FPGA is applied and, in the external loop, a generalized predictive controller (GPC) is implemented for execution in the real-time operating system of myRIO. The control structure was developed in a way that it can be applied to different monovariable systems, however a laboratory plant that consists of the control of speed and current of a direct current motor was used as a case study. The experimental results validated the implementation in both layers. The sampling period that was achieved in the implementation of the PI FPGA-embedded was less than 10 µs and the sampling period for GPC implementation in the real-time operating system was 13 ms (maximum observed value), with average execution period of less than 5 ms.

Este trabalho tem por objetivo a utilização do núcleo de estator de uma máquina elétrica construído a partir do processo da Metalurgia do Pó utilizando a liga ferro com 2% fósforo (Fe2%P). O núcleo obtido substitui o núcleo comercial (laminado) do gerador síncrono de imãs permanentes com potência de 1kW. O gerador elétrico utilizado no trabalho é encontrado em geradores eólicos de pequeno porte. Esta máquina elétrica é um gerador com fluxo axial excitado através de imãs permanentes, sendo nomeada de Torus por utilizar um núcleo em formato toroidal. Foram realizados ensaios de rendimento do gerador em bancada com ambos os núcleos, comercial e o concebido a partir de metalurgia do pó. Com estes ensaios foi possível a comparação do desempenho da máquina com os dois núcleos. O núcleo do estator obtido pelo processo de metalurgia do pó obteve rendimentos elétricos equivalentes ao da máquina utilizando núcleo comercial, porém durante o teste em vazio o gerador com núcleo de Fe2%P apresentou uma potência mecânica de acionamento superior a máquina utilizando núcleo comercial. A máquina com núcleo comercial possui uma eficiência geral de no mínimo oito por cento superior a máquina que utiliza núcleo do estator com Fe2%P. / The purpose of this paper is to use the stator core of an electrical machine built from the Powder Metallurgy process using iron alloy with 2% (Fe 2% P). The core obtained replaces the commercial core (laminated) of the synchronous generator with permanent magnet power of 1kW. The electric generator used at work is found in small wind generators. This electric machine is a generator with an axial flow excited by permanent magnets that have been named Torus for using a core in the toroidal format. Bench Generator performance tests were conducted with both the commercial and the powder metallurgy designed cores. With these tests, a comparison between the machine’s performance and both cores was possible. The stator core obtained by the powder metallurgy process achieved an electrical performance equivalent to that of the machine using the commercial core, however, during the no load test, the generator with the Fe2% P core presented a higher mechanical power drive to that of the machine using the commercial core. The machine with a commercial core has an overall efficiency of at least eight per cent higher than that of the machine that uses the stator core with Fe2%P.

Este trabalho tem como objetivo o projeto, construção e análise do funcionamento de uma máquina elétrica síncrona trifásica com núcleo do rotor produzido a partir da metalurgia do pó e ímãs de neodímio-ferro-boro para aplicação em aerogeradores. Tomando como base a máquina elétrica modelo VTOP da fabricante Grupo Voges, foram realizadas mudanças na forma construtiva dos núcleos do estator e do rotor. O pacote chapas que compõem o núcleo do estator foi montado de maneira que as ranhuras apresentem um ângulo de inclinação de 10º ao longo de toda a extensão da máquina. Para o rotor, foi projetado e construído um núcleo através do processo de metalurgia do pó utilizando como matéria-prima pó de ferro puro. A esse novo núcleo foram acrescentados ímãs de neodímio-ferro-boro. Após a montagem dos componentes, a máquina elétrica foi ensaiada em uma bancada de testes. Paralelamente com a confecção do núcleo foi efetuada a simulação computacional da máquina com três tipos diferentes materiais no núcleo do rotor. Os resultados encontrados indicaram que a metalurgia do pó é uma alternativa viável para produção do núcleo de máquinas elétricas. Entretanto alterações na topologia e na forma de fixação dos ímãs são necessárias para um melhor desempenho. / This work aims at the design, construction and performance analysis of a three-phase synchronous electric machine with a rotor core produced by powder metallurgy and neodymium-iron-boron magnets for application in wind turbines. Based on the electric machine VTOP model of the manufacturer Grupo Voges, changes were carried out in the constructive form of the stator and rotor cores. The bundle of plates that make the role of stator core were mounted with a 10º slope along the entire length of the machine. For the rotor, a core was designed and built by employing powder metallurgy process using pure iron powder as raw material. The neodymium-iron-boron magnets were added to this new core. After assembling the components, the electric machine was tested on a test bench. Simultaneously with the core fabrication, the machine was simulated with three different materials in the rotor core. The results indicated that powder metallurgy is a viable alternative to produce the core of electric machines. However, changes in the topology and shape of the magnets are necessary for better assembly, improving the performance.

Este trabalho apresenta um estudo de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) no sistema elétrico industrial de uma concessionária geradora de energia elétrica do Brasil. O estudo teve enfoque na distorção harmônica gerada nos serviços auxiliares da usina termoelétrica. Para tanto, foi necessária a simulação e análise da planta da termoelétrica, com atenção nos serviços auxiliares pertencentes a ela, devido aos altos níveis de distorções harmônicas registrados. A simulação foi feita com o programa ATP (Alternative Transients Program) no domínio do tempo, através de sua interface gráfica, o ATP Draw. Nele foram modelados os principais componentes que pertencem ao Sistema Elétrico de Potência (SEP) em questão, como geradores, transformadores, linhas e cargas não lineares. Com a modelagem do SEP da termoelétrica, é possível determinar os níveis da distorção harmônica em diversos locais da planta, e aprofundar o estudo para que seja possível fazer a mitigação desses distúrbios. A diminuição da distorção harmônica junto ao aumento do fator de potência permite um melhor desempenho da usina, aumentando a faturamento da empresa através do aumento da energia entregue ao sistema elétrico. / This dissertation presents a study of Power Quality in an electrical system of a thermoelectric power plant in Brazil. The study focused on the harmonic distortion generated in the auxiliary services of the plant. Therefore, it was necessary to simulate and analyze the thermal plant, with attention to auxiliary services belonging to it, due to high levels of harmonic distortion registered. The simulation was performed using the ATP (Alternative Transients Program) in the time domain through its interface, the ATP Draw. It were modeled the main components that belong to the Power System in question, such as generators, transformers, lines and non-linear loads. With the modeling of the thermoelectric plant, is possible to determine the levels of harmonic distortion at various locations within the plant. The reduction of harmonic distortion along with the increase of power factor allows a better plant performance, increasing company revenue by increasing the energy delivered to the electrical system.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.