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.

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.

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.

O campo magnético estabelecido no entreferro das máquinas síncronas é responsável pela transmissão do torque e potência desejados, porém é também precursor de forças radiais inerentes. Tais forças combinadas à resposta dinâmica do sistema mecânico podem resultar em vibração excessiva do núcleo do estator, o que em geral é indesejável devido a eventuais danos e redução de vida útil decorrentes. Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver modelos e simulações focados nas forças eletromagnéticas atuantes no núcleo do estator de tal forma que estes possam contribuir para compreensão global dos fenômenos envolvidos bem como para refinamento de resultados já conhecidos. De forma complementar, modelos mecânicos analíticos do núcleo do estator existentes na literatura serão explorados com a finalidade de, em conjunto com as forças eletromagnéticas encontradas, se obter o comportamento vibracional global da estrutura do núcleo do estator. Validação experimental dos resultados também é discutida com base em ensaios em duas máquinas reais. / The magnetic field established in the airgap of a synchronous machine is responsible for the desired torque and power transmission; however it is also precursor of inherent radial forces. Such forces combined to the dynamic response of the mechanical system can result in excessive stator core vibration, what is in general undesirable due to eventual damages and life span reduction. This work has the main objective of developing models and simulations focused on the electromagnetic forces acting on the stator core in such a way that they can contribute for the global comprehension of involved phenomena as well as for the refinement of already known results. Complementarily, analytical mechanical models of the stator core available in the literature will be explored with the goal of, in conjunction with the obtained electromagnetic forces, deriving the global vibrational behavior of the stator core structure. Experimental validation of results is also discussed based on tests performed in two real machines.

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:33:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EdnardoPR_DISSERT.pdf: 2329567 bytes, checksum: ab9bc3145d3823983047e9d57956c8d0 (MD5) Previous issue date: 2015-01-30 / Fundação de Apoio a Pesquisa do Estado do Rio Grande do Norte / The connection of wind generators might cause significant influences in the profile voltages, voltage unbalance, loading and the electrical losses in radial power distribution systems. This fact requires a specific study, called Hosting Capacity, which aims to analyze the maximum limit of the power increase on the network that makes the performance of the system acceptable to the established quality limits. This work shows an IEEE radial distribution system behavior, composed of 13 bus, in steady state, when a synchronous wind machine is engaged on the bus 680 in two ways: directly connected to the network and connected through the frequency converter. For each type of connection the power factor was varied from 0.9 capacitive to inductive 0.9. The parameters analyzed in connection bar were the degree of voltage unbalance, the losses in the system and the profile of voltages on the bus 680 for each case . The simulations were performed using the program Distribution Network Analysis with Generation Aeolian-Electric - ANAREDGEE, which was developed and validated with own results of the IEEE. It was found that there was a reduction in the degree of unbalance for all simulated situations, when compared to the original value of the system status, not exceeded the limits determined by imbalances entities NEMA, ANSI, IEEE and ANEEL. Regarding the profile of voltages in the various system buses, there was a slight decrease in some situations. In the original system, the voltage level of the phase B in the bus 680 exceeded the 5% voltage given by ANEEL, with a value of 1.0529 p.u. With the machine connected directly, there was an increase of this value in all simulations with different power factor, while the connection through frequency converter might causa a reduction of the phase B voltage levels to below 1.05 pu in situations where the power factors were equal to 0.9 capacitive and unitary. The system losses were reduced in all cases, but showed lower values when the synchronous machine was integrated into the system by frequency convertor. It was also observed a significant reduction in the degree of system imbalance after connecting the synchronous machine, this reduction, in most cases, occurred in proportion to the increase in power injected into the connection bar / A conexão de geradores eólio-elétricos pode causar influências significativas no perfil de tensões, desequilíbrio de tensão, no carregamento e nas perdas elétricas em sistemas de distribuição de energia radiais. Este fato requer um estudo específico, denominado Hosting Capacity, que tem por finalidade analisar o limite máximo do incremento de potência na rede que torna a performance do sistema aceitável para os limites de qualidade estabelecidos. Este trabalho demonstra o comportamento do sistema de distribuição radial do IEEE, composto de 13 barras, em regime permanente, quando uma máquina eólica síncrona é acoplada na barra com o maior nível de tensão do sistema, de duas formas distintas: diretamente conectada à rede e conectada por meio de conversor de frequência. Para cada tipo de conexão o fator de potência foi variado de 0.9 capacitivo a 0.9 indutivo. Os parâmetros analisados na barra de conexão foram o grau de desequilíbrio de tensão, as perdas no sistema e o perfil das tensões. As simulações foram realizadas através do programa Análise de Redes de Distribuição com Geração Eólio-Elétrica - ANAREDGEE, que foi desenvolvido e validado com resultados próprios do IEEE. Verificou-se que houve uma redução no grau d e desequilíbrio para todas as situações simuladas, quando comparadas ao valor da situação original do sistema, não superado os limites de desequilíbrios determinados por entidades como NEMA, ANSI, IEEE e ANEEL. Com relação ao perfil das tensões nas diversas barras do sistema, houve uma ligeira diminuição em algumas situações. No sistema original, o valor de tensão na fase B da barra 680 superava os 5% de sobretensão determinado pela ANEEL, apresentando um valor de 1,0529 p.u. Com a máquina diretamente conectada houve um aumento deste valor em todas as simulações com diferentes fatores de potência, enquanto que a conexão por meio de conversor de frequência possibilitou uma diminuição dos níveis de tensão da fase B para valores abaixo de 1,05 p.u. nas situações em que os fatores de potência eram iguais a 0.9 capacitivo e unitário. As perdas no sistema foram reduzidas em todos os casos, entretanto apresentaram menores valores quando a máquina síncrona era integrada ao sistema por meio de conversor de frequência. Foi observado também uma redução considerável do grau de desequilíbrio do sistema após a conexão da máquina síncrona, esta redução, na maioria dos casos, se deu de forma proporcional ao aumento da potência injetada na barra de conexão

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.

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.

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.