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.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica (área de especialização de Sistemas de Energia), na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Amândio Gabriel Morim Silva

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.

Desenvolvimento de uma máquina síncrona trifásica com ímãs de Nd-Fe-B e núcleo do rotor a partir de ferro sinterizado para aplicação em aerogeradores de 7,5 kW, verificando a viabilidade do protótipo. Partindo de um projeto anteriormente desenvolvido, foi realizada alteração no ângulo das chapas do estator em 10º, com o intuito de minimizar o efeito de correntes parasitas, sendo esse um dos fatores que influenciam os resultados. Para avaliação de desempenho, foi utilizada uma bancada de testes composta de analisador de energia, sensor de torque e instrumentos de medição, sendo o acionamento do protótipo realizado através de um motor de indução controlado por um inversor de frequência. Entre os resultados encontrados, foi constatada a presença de harmônicas que impactam sobre os valores obtidos do protótipo. Os testes realizados, de simulação e parâmetros elétricos, indicaram resultados apropriados ao desempenho de uma máquina elétrica trifásica, porém mostram-se necessárias alterações para um melhor desempenho do protótipo. / Development of a three-phase synchronous machine with Nd-Fe-B magnets and rotor core from sintered iron for application in 7.5 kW wind turbines, verifying the feasibility of the prototype. Starting from a previously developed design, a change in the angle of the stator plates was made in 10º, in order to minimize the effect of the parasite currents, being one of the factors that influence the results. For performance evaluation, a test bench composed of energy analyzer, torque sensor and measuring instruments was used, and the drive of the prototype was carried out through an induction motor controlled by a frequency inverter. Among the results found, it was verified the presence of harmonics that impact on the values obtained from the prototype. The tests performed, simulation and electrical parameters, indicated results appropriate to the performance of a three-phase electric machine, however changes are needed for a better performance of the prototype.

A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado. / A teoria de duplo eixo é geralmente utilizada para modelar e caracterizar máquinas síncronas de polos salientes. O conhecimento das indutâncias de eixo direto e eixo em quadratura são fundamentais para o desenvolvimento destes modelos e para o projeto de controladores destas máquinas. No entanto, métodos tradicionais para determinação destas indutâncias através de ensaios tornam-se impraticáveis em máquinas síncronas de ímãs permanentes pela impossibilidade de controlar a corrente de campo. Recentemente, a IEEE publicou o Std. 1812, chamado Trial-Use Guide for Testing Permanent Magnet Machines, que pode servir de guia para obtenção da reatância de eixo direto Xd. Esta norma não sugere formas de determinar a reatância de eixo em quadratura Xq, mas existem diferentes métodos para calcular este parâmetro a partir de dados coletados em testes, geralmente envolvendo medição de ângulo de carga. O objetivo deste trabalho é propor e analisar dois métodos alternativos para determinar as reatâncias do modelo de duplo eixo através de ensaios aplicados a um gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) de 1,5 kW. O primeiro é baseado em predição de ângulo de carga e o segundo é baseado em medição de ângulo de carga. O primeiro combina ensaios a vazio e de curto circuito com análise do diagrama fasorial para descrever o ângulo de carga como função de grandezas elétricas facilmente mensuráveis. O segundo propõe um método de medição de ângulo de carga com auxílio de um encoder incremental. Resultados comprovam que é possível determinar indutâncias do modelo de duplo eixo com as equações desenvolvidas desde que o conteúdo harmônico não seja elevado.

Desenvolvimento de uma máquina síncrona trifásica com ímãs de Nd-Fe-B e núcleo do rotor a partir de ferro sinterizado para aplicação em aerogeradores de 7,5 kW, verificando a viabilidade do protótipo. Partindo de um projeto anteriormente desenvolvido, foi realizada alteração no ângulo das chapas do estator em 10º, com o intuito de minimizar o efeito de correntes parasitas, sendo esse um dos fatores que influenciam os resultados. Para avaliação de desempenho, foi utilizada uma bancada de testes composta de analisador de energia, sensor de torque e instrumentos de medição, sendo o acionamento do protótipo realizado através de um motor de indução controlado por um inversor de frequência. Entre os resultados encontrados, foi constatada a presença de harmônicas que impactam sobre os valores obtidos do protótipo. Os testes realizados, de simulação e parâmetros elétricos, indicaram resultados apropriados ao desempenho de uma máquina elétrica trifásica, porém mostram-se necessárias alterações para um melhor desempenho do protótipo. / Development of a three-phase synchronous machine with Nd-Fe-B magnets and rotor core from sintered iron for application in 7.5 kW wind turbines, verifying the feasibility of the prototype. Starting from a previously developed design, a change in the angle of the stator plates was made in 10º, in order to minimize the effect of the parasite currents, being one of the factors that influence the results. For performance evaluation, a test bench composed of energy analyzer, torque sensor and measuring instruments was used, and the drive of the prototype was carried out through an induction motor controlled by a frequency inverter. Among the results found, it was verified the presence of harmonics that impact on the values obtained from the prototype. The tests performed, simulation and electrical parameters, indicated results appropriate to the performance of a three-phase electric machine, however changes are needed for a better performance of the prototype.

O trabalho apresentado tem como objetivo principal propor uma metodologia para obtenção dos parâmetros da máquina síncrona, baseada em ensaio de resposta em frequência, utilizando-se de um inversor e da aplicação de técnicas numéricas de ajuste de curvas. Dedicam-se tópicos à consolidação de aspectos físicos resultantes das características construtivas das máquinas que devem ser considerados na modelagem. Também se analisam as derivações matemáticas dos modelos. Posteriormente se estudam os vários tipos de ensaios praticados para determinação dos parâmetros dos modelos apresentados. Particular ênfase é dada ao Ensaio Estático de Resposta em Frequência. São levantadas as vantagens e desvantagens da aplicação desse tipo de ensaio, suas dificuldades e limitações bem como é apresentada uma metodologia para sua execução. Por fim, o trabalho compila os resultados conseguidos com uma aplicação em bancada, onde foram utilizados equipamentos disponíveis em laboratórios didáticos de máquinas elétricas. É outro objetivo desse estudo a comparação de ensaios de resposta em frequência com ensaios tradicionais (saturação em vazio e curto-circuito permanente, curto-circuito abrupto, etc...). / The presented work has as main objective to propose a methodology for obtaining the synchronous machines parameters, based on frequency response test, by means of a frequency converter and the application of numerical curve fitting routines. Topics are dedicated to the consolidation of physical aspects resulting of the machines constructive characteristics which must be considered in the modeling. Mathematical developments of the models are also studied. Thereafter, the tests that are usually performed for the determination of the synchronous machines parameters are analyzed. Particular emphasis is given to the Standstill Frequency Response Test. Positive and negative points for this specific type of test are raised. Difficulties and limitations are also defined, and a methodology for its implementation is presented. Finally, this work compiles the results achieved in a bench application, where equipment available in didactic laboratories of electric machines was used. The comparison of the Standstill Frequency Response Test with traditional tests (no-load saturation, permanent short-circuit, sudden short-circuit, etc) is also scope of this work.

Esta dissertação apresenta técnicas de ajuste de estabilizadores de sistemas de potência (PSS) com um enfoque nos desafios encontrados por um engenheiro durante o comissionamento do sistema de excitação estático de uma unidade geradora de médio porte. Os métodos de ajuste tratados neste trabalho são principalmente os aplicáveis aos estabilizadores do tipo PSS2B. É dada prioridade às situações nas quais o engenheiro não dispõe de dados detalhados do modelo do gerador e do sistema de potência. Simulações computacionais nos domínios do tempo e da frequência são empregadas com objetivos didáticos ao longo do texto. A estrutura do PSS2B é detalhada, explicitando-se a função de cada parâmetro. São apresentados diferentes métodos de estabilizadores, dentre eles ressaltam-se: os métodos de comparação de grandezas no domínio do tempo e o método de compensação de fase. São mostrados resultados práticos obtidos durante comissionamentos em duas usinas hidrelétricas distintas. Comparam-se os diferentes métodos com o auxílio destes resultados práticos e de simulações computacionais / This work presents techniques for tuning power system stabilizers (PSS) with focus on the challenges faced by an engineer during the commissioning of a static excitation system of a medium sized hydro generator. The tuning methods discussed in this study are primarily those applicable to the PSS2B stabilizers. Priority is given to circumstances in which the engineer does not have a detailed model of the generator and power system. Computer simulations in the time and frequency domains are presented with didactic purposes throughout the text. The structure of PSS2B is detailed, the function of each parameter is explained. Among the different methods for tuning the PSS2B, two approaches stand out: the methods based on the comparison of magnitudes in the time domain and the method of phase compensation. The practical results obtained during commissioning of two hydroelectric power plants are presented. The different PSS tuning methods are compared with the aid of these practical results and computer simulations.

Neste trabalho desenvolve-se uma análise sobre o estado da arte e tendências para projeto de geradores elétricos em turbinas eólicas offshore. A conjunção dos requerimentos de alta confiabilidade e potência, criam condições adequadas para a aplicação de máquina elétricas multifásicas nesse setor. Desta forma, optou-se por estudar as características e condições de projeto de máquinas elétricas multifásicas, simétricas ou assimétricas. Com esta finalidade, os métodos analíticos de projeto de máquinas elétricas trifásicas são revisitados e estendidos, quando necessário, para diferentes configurações multifásicas. O foco do trabalho, consiste em desenvolver e explorar temas de projeto de geradores elétricos multifásicos, síncronos de imãs permanentes, com enrolamentos distribuídos de dupla camada. Para estudo de caso, realiza-se a comparação entre o projeto de quatro topologias diferentes. Nomeadamente, compara-se o projeto de geradores de três, seis, nove e dezoito fases para turbinas eólicas offshore de 10 MW. A configuração com gerador de nove fases apresenta os melhores resultados, com densidade de torque 10,96% superior à densidade de torque desenvolvida pela máquina trifásica analisada. Por fim, a metodologia analítica desenvolvida para o projeto de máquinas elétricas multifásicas é verificada usando o método de elementos finitos bidimensional, para o gerador síncrono de imãs permanentes de nove fases. / The state of the art and future trends for offshore wind turbines were reviewed. Due to its fault-tolerant characteristic, multiphase electrical generators were identified as strong candidates to meet the power and resilience targets of the offshore wind sector. In this work, the design aspects of three-phase electrical machines are reviewed and extended to different multiphase configurations. The main focus of the work is to develop an analytical design methodology for multiphase, symmetrical and asymmetrical, synchronous generators with double-layer distributed windings. As a case study, the project of a three-phase, six-phase, nine-phase and eighteen-phase permanent magnet synchronous generators were compared for a 10MW offshore wind turbine. The best results were found for the nine-phase topology, with a torque density 10.96% higher than the torque density of the analysed three-phase machine. The developed design methodology was validated with a finite element analysis of the ninephase permanent magnet generator.

A conexão de geradores distribuídos nas redes de subtransmissão e de distribuição de energia elétrica se mostra cada vez mais crescente devido aos inúmeros benefícios técnicos e econômicos alcançados com essa tecnologia. No entanto, há importantes implicações técnicas que precisam ser analisadas antes que um gerador distribuído seja conectado em paralelo ao sistema elétrico. Um aspecto a ser analisado, e que é comum entre as concessionárias de energia elétrica é a adequação da proteção anti-ilhamento, a qual tem a função de detectar essa condição e, automaticamente, desconectar os geradores distribuídos, dentro de um tempo pré-determinado, e assim mantê-los até que o fornecimento de energia seja restabelecido. Neste contexto, este trabalho analisará o desempenho dos relés de proteção anti-ilhamento em face de diferentes tipos de cargas que acabam afetando o tempo de detecção do ilhamento. Com isso, pretende-se obter subsídios para que os ajustes desses relés sejam calculados de forma eficiente. Os relés estudados são o relé de sub/sobrefrequência e o relé de taxa de variação da frequência, e o gerador distribuído é do tipo síncrono equipado com controle de tensão. As análises mostraram que no instante em que ocorre um ilhamento os fatores que mais influenciam no desempenho dos relés de proteção anti-ilhamento são as condições de carga e geração, tempo de detecção estabelecido, tipo do relé adotado, ajuste do mesmo e modelo de carga utilizado. / The connection of distributed generators to power subtransmission and distribution networks has been increasing recently due to the technical and economic benefits that such technology can provide. However, there are important technical issues that need to be carefully analyzed before a distributed generator is connected to electrical systems. One issue to be analyzed, which is common sense among utility companies, is the anti-islanding protection, whose main goal is to detect unintentional islanding and, automatically, disconnect the distributed generators within a required time-interval. In this context, this work will analyze the performance of anti-islanding protection relays in face of different load types. With this study, one intend to get support for adjusting these relays efficiently. The relays studied in this work are the under/over frequency and the rate of change of frequency relays, and the distributed generator is a synchronous machine equipped with an automatic voltage regulator. The analyzes showed that the moment a islanding occurs the most important factors influencing the performance of relays anti-islanding protection are the conditions of load and generation, detection time set, type and relay setting adopted and load model.