Neste trabalho é desenvolvida uma metodologia de otimização multiobjetivo baseada no NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm), a qual visa a otimização do projeto de máquinas de indução pentafásicas. A escolha deste tipo de máquina se justifica pelo fato de que elas apresentam vantagens importantes quando comparadas com as trifásicas convencionais, tais como maior potência e maior torque para um mesmo volume de material ativo, além da possibilidade de operar na ocorrência de falhas (perda de uma ou duas fases). Na otimização de máquinas de indução vários objetivos podem ser definidos, sendo estes muitas vezes conflitantes. Neste contexto, este trabalho visa obter soluções que representam um compromisso entre dois objetivos: rendimento e custo do material ativo (ferro e material condutor). O algoritmo de otimização desenvolvido e implementado utiliza dois controles de diversidade da população, um baseado no fenótipo dos indivíduos, que é característico do NSGA-II, e outro adicional que é baseado no genótipo. A geometria do estator e do rotor da máquina e o seu modo de acionamento são parametrizados por 14 variáveis inteiras. O método desenvolvido foi implementado no Matlab R e aplicado a um caso prático de otimização de uma máquina de indução pentafásica considerando os dois objetivos citados. Os resultados práticos mostram que o método é capaz de obter projetos otimizados com maior rendimento e menor custo aproveitando as características particulares deste tipo de máquina. / In this work, it is developed a method of multiobjective optimization based on NSGAII (Nondominated Sorting Genetic Algorithm), which aims at optimizing the design of five-phase induction machines. The choice of this particular type of machine is justified by the fact that they have important advantages over conventional three-phase machines, such as higher power and higher torque for the same volume of material; in addition, they can operate under fault (loss of one or even two phases). When optimizing induction machines, several objectives can be defined, which are often conflicting. In this context, this work aims to obtain solutions that represent a trade-off between two objectives: efficiency and cost of active material (iron and conductor materials). The optimization algorithm that was developed and implemented uses two types of control for the diversity of the population, one based on the phenotype of the individuals, characteristic of the NSGA-II, and another one based on the genotype. The geometrical dimensions of the stator and rotor, together with the driving strategy, are parameterized by 14 integer variables. The developed method was implemented using Matlab R and applied to a practical case of a five-phase induction machine considering the aforementioned objectives. The practical results show that the method can lead to an optimized design with higher efficiency and at a lower cost, accounting for the special characteristics of this type of machine.

Neste trabalho é proposto um estudo envolvendo o controle vetorial do Motor de Indução Trifásico, compreendendo o uso da teoria de modos deslizantes nas malhas de controle de fluxo e velocidade na estratégia de Controle Vetorial por Orientação Indireta de Campo (Indirect Field Oriented Control, IFOC), visando sobretudo, melhorar tanto o desempenho dinâmico quanto o problema de chattering. Para tanto, aborda-se o uso de uma função de chaveamento suave, analisando suas características perante o uso de diferentes superfícies de deslizamento. Com base nessas análises, tem-se a proposta de um controlador por modos deslizantes integral, englobando o uso de uma superfície de deslizamento integral em conjunto com um método de anti-windup, sendo tal método baseado em uma função triangular. Para verificar a atratividade às superfícies de fluxo e velocidade, é realizada uma investigação quanto ao uso de uma parcela paramétrica como ação de controle, dada pelo termo equivalente. Com o objetivo de analisar a topologia de controle proposta, resultados são obtidos por meio de simulação e de uma bancada experimental considerando diferentes condições de operação. Desta forma, os resultados foram divididos em testes, visando abordar o problema do chattering e diferenças do controlador proposto perante os convencionais. De maneira geral, a topologia de controle apresentou resultados melhores aos encontrados na literatura, podendo ser uma opção em sistemas que requerem acionamento de alto desempenho dinâmico. / This work deals with the vector control in a three-phase induction motor, applying the sliding mode theory to both the flux and the speed control loops in the Indirect Field Oriented Control strategy. It aims to improve the dynamic performance regarding the chattering problem. Therefore, the use of a smooth switching function is addressed, analyzing the outcomes achieved by different sliding surfaces. Based on these analysis, an Integral Sliding Mode Controller is proposed employing an integral sliding surface along with an anti-windup method based on a triangular function. In order to verify the attractiveness of the flux and the speed surfaces, an investigation regarding the use of a parametric portion as control action is carried out. The proposed control strategy is verified by means of simulations and experiments on test bench for different operating conditions. This way, the results are split in tests aiming to approach chattering problems and the differences between the proposed and traditional control strategies. Genarally, the outcomes of the proposed topology are better with those found on literature, pointing it as a viable choice to drive high dynamic performance demanding systems.

Neste trabalho é proposto um estudo envolvendo o controle vetorial do Motor de Indução Trifásico, compreendendo o uso da teoria de modos deslizantes nas malhas de controle de fluxo e velocidade na estratégia de Controle Vetorial por Orientação Indireta de Campo (Indirect Field Oriented Control, IFOC), visando sobretudo, melhorar tanto o desempenho dinâmico quanto o problema de chattering. Para tanto, aborda-se o uso de uma função de chaveamento suave, analisando suas características perante o uso de diferentes superfícies de deslizamento. Com base nessas análises, tem-se a proposta de um controlador por modos deslizantes integral, englobando o uso de uma superfície de deslizamento integral em conjunto com um método de anti-windup, sendo tal método baseado em uma função triangular. Para verificar a atratividade às superfícies de fluxo e velocidade, é realizada uma investigação quanto ao uso de uma parcela paramétrica como ação de controle, dada pelo termo equivalente. Com o objetivo de analisar a topologia de controle proposta, resultados são obtidos por meio de simulação e de uma bancada experimental considerando diferentes condições de operação. Desta forma, os resultados foram divididos em testes, visando abordar o problema do chattering e diferenças do controlador proposto perante os convencionais. De maneira geral, a topologia de controle apresentou resultados melhores aos encontrados na literatura, podendo ser uma opção em sistemas que requerem acionamento de alto desempenho dinâmico. / This work deals with the vector control in a three-phase induction motor, applying the sliding mode theory to both the flux and the speed control loops in the Indirect Field Oriented Control strategy. It aims to improve the dynamic performance regarding the chattering problem. Therefore, the use of a smooth switching function is addressed, analyzing the outcomes achieved by different sliding surfaces. Based on these analysis, an Integral Sliding Mode Controller is proposed employing an integral sliding surface along with an anti-windup method based on a triangular function. In order to verify the attractiveness of the flux and the speed surfaces, an investigation regarding the use of a parametric portion as control action is carried out. The proposed control strategy is verified by means of simulations and experiments on test bench for different operating conditions. This way, the results are split in tests aiming to approach chattering problems and the differences between the proposed and traditional control strategies. Genarally, the outcomes of the proposed topology are better with those found on literature, pointing it as a viable choice to drive high dynamic performance demanding systems.

As máquinas elétricas rotativas são hoje a principal forma de transformação da energia elétrica em mecânica motriz e os motores de indução trifásicos têm grande relevância dentro do setor produtivo. A garantia de um correto funcionamento torna-se vital para eficácia e competitividade da empresa dentro do setor fabril. Assim sendo, um correto diagnóstico e classificação de falhas de funcionamento dos motores em operação pode fornecer maior segurança no processo de tomada de decisão sobre a manutenção, aumentar a produtividade e eliminar os riscos e os danos aos processos como um todo. A proposição deste trabalho baseia-se na análise das correntes de estator no domínio da frequência com sinais injetados na máquina juntamente com a modulação de alimentação para o diagnóstico do motor sem defeitos, com falhas de curtocircuito nos enrolamentos do estator e com falhas de rotor. A proposta é validada numa ampla faixa de frequências de operação bem como de regimes de conjugado de carga. São analisados os desempenhos individuais de cinco técnicas de classificadores de padrões, sendo proposta a utilização de: i) Perceptron Multicamadas, ii) Máquina de Vetores de Suporte, iii) k-Vizinhos Próximos, iv) Árvore de Decisão C 4.5 e v) Naive Bayes. Complementarmente, é desenvolvido um comparativo dos métodos de classificação de padrões para avaliar a precisão de classificação frente aos diversos níveis de severidade das falhas. Resultados experimentais com motor de 1 cv são apresentados para validar a proposta. / Rotating electric machines are today the main form of transformation of electrical energy in motor mechanics and three-phase induction motors have great relevance within the productive sector. Thus a correct diagnosis and classification of failures of the engines in operation can provide security in the decision making process on maintenance, increase productivity and eliminate risks and damages to processes as a whole. The purpose of this paper is based on the analysis of the stator currents in the frequency domain with signals injected into the machine together with the power modulation for the diagnosis of motor faultless, stator winding short-circuit faults and rotor faults. Considering also, for validation of the proposal is validated on a broad range frequency of operation as well as load torque. We analyze the individual performances of five standard classifier techniques, proposing the use of: i) Multilayers Perceptron, ii) Support Vector Machine, iii) k-Nearest Neighbor, iv) C 4.5 Decision Tree and v) Naive Bayes. Complementarily, a comparison of the methods of classification of standards is developed to evaluate the accuracy of classification against the different levels of severity of the failures. Experimental results with 735.5 w and 1.471 w engines are presented to validate the proposal.

O objetivo deste trabalho consiste na implementação de arquiteturas de sistema inteligentes em Processadores Digitais de Sinais (DSP) visando, sobretudo, o controle em tempo real de motores de indução trifásicos. Para tanto, propõe-se uma abordagem fuzzy para o controle de velocidade de motores de indução trifásicos baseado na metodologia de ajuste de tensão e freqüência (Volts/Hertz) proveniente de um inversor PWM, de modo que o fluxo no entreferro seja mantido constante. O enfoque principal consiste no desenvolvimento do sistema de controle em hardware considerando o estudo dinâmico do controlador frente às variações de conjugado de carga, cujo desempenho da metodologia proposta será avaliado mediante simulações computacionais e ensaios experimentais realizados em laboratório. / The objective of this work consists of the implementation of intelligent system architecture in Digital Signal Processor (DSP) aiming at the real-time three-phase induction motor control. Therefore, a fuzzy logic speed control drive system for three-phase induction motor is proposed, whereas the control methodology is based on voltage and frequency (Volts/Hertz) adjustment of a PWM inverter so that the airgap flux maintains constant. The main focus concerns about hardware development of the control system considering the controller dynamic response study in relation to load torque variations, from which the proposed methodology performance is evaluated by means of computational simulation and experimental results obtained in laboratory.

Este trabalho apresenta uma estratégia para a estimativa de velocidade do motor de indução trifásico baseada em redes neurais artificiais utilizando medidas de variáveis primárias como tensão e corrente. O uso de motores de indução trifásicos é uma constante em diversos setores industriais e de grande importância no cenário energético nacional. A maioria das metodologias de controle, acionamento e dimensionamento destes motores é fundamentada nas medidas de velocidade no eixo. Entretanto, a medida direta da velocidade compromete o sistema de controle e acionamento diminuindo sua robustez e aumentando o custo de implementação. Resultados de simulação e de ensaios experimentais para validação da proposta são também apresentados. / This work presents an approach to estimate speed in induction motors based on artificial neural networks and using measurement of primary variables like voltage and current. The use of induction motors is very common in many industrial sectors and plays an important role in the national energetic scene. The methodologies used in control, start up and dimensioning of these motors are based on measure of the speed variable. However, the direct measure of this variable compromises the system control and start up of the machine, reducing its robustness and increasing the implementation costs. Simulation results and experimental data are presented to validate the proposed approach.

This work proposes a comparative performance analysis of control and estimation techniques applied to three-phase induction motors with discrete realization, using a fixed-point digital signal processor based platform. Some modifications in original algorithms are proposed to improve the performance of the techniques in study. Initially, an historical review about the induction motors drives and a bibliographical review of the main speed estimation techniques implemented in DSP were accomplished. Then, different models of the induction machine are obtained using the semi-stationary reference frames. From the machine model, two speed controllers are projected: a classical PI controller, that is widely used in industrial environment and a robust model reference adaptive controller, objecting to compensate disturbances and unmodeled dynamics. After that, two estimation techniques based on 1M model are selected to project high-performance speed sensorless drives and later comparison. One of these schemes is extremely spread in academic and industrial environrnents, it is based on a model reference adaptive system (MRAS) and the other one is projected from a modified recursive least squares (MRLS), that is presented as a highperformance altemative solution. In the development of this work are displayed simulation results using the MatlabTM software, real-time simulations in DSP platform, and finally, experimental results. After these results analysis, it is possible to determinate which of these sensorless speed controllers proposed present satisfactory dynamic response for a wide range of speed, including low and null rotations, in situations of load disturbances and parametric variation. / Este trabalho propõe uma análise comparativa do desempenho de técnicas de controle e estimação de velocidade, com realização discreta no tempo, aplicadas a motores de indução trifásicos, utilizando plataforma com base em um processador digital de sinais de ponto-fixo. Algumas modificações em algoritmos existentes na literatura são propostas para melhorar o desempenho das técnicas em estudo. Inicialmente, uma revisão histórica sobre a evolução dos sistemas de acionamento para motores de corrente alternada e uma revisão bibliográfica das principais técnicas de estimação de velocidade implementadas em DSP são realizadas. Em seguida, são obtidos diferentes modelos para o motor de indução trifásico representados em referenciais semi-estacionários. A partir do modelo da máquina foram projetados dois controladores de velocidade: um controlador clássico e amplamente utilizado no meio industrial (PI), e, com o objetivo de compensar distúrbios e dinâmicas não modeladas, um controlador adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é implementado. Para o projeto de servomecanismos sensorless de alto desempenho, duas técnicas de estimação de velocidade baseadas no modelo do MI foram selecionadas. Uma delas é amplamente difundida. no meio acadêmico e industrial, sendo fundamentada em um sistema adaptativo por modelo de referência (MRAS) e outra tem base em um algoritmo de mínimos quadrados recursivos modificado (MRLS) e é apresentada como uma alternativa de alto desempenho. No desenvolvimento deste trabalho, resultados de simulações utilizando o software Matlab@, simulações em tempo-real em plataforma DSP, e por fim, resultados experimentais são apresentados. A partir destes resultados, parte-se para avaliação para determinar quais dos controladores sensorless analisados apresentam resposta dinâmica satisfatória em uma larga faixa de velocidade, inclusive em condições de velocidade baixa e nula, e também diante de situações de variação de carga e de parâmetros.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Eduardo Henrique Couto.pdf: 1926472 bytes, checksum: 2b4464d74812fd9a1dc1cf69975b8f1f (MD5) Previous issue date: 2013-12-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / When the three phase induction motor is vector-controlled driven, is considered the mathematical model as a set of linear equations, so that the control is more effective only over an operation point. However, when changing that point, control can pass to not respond properly, causing unwanted errors of speed, position or even instability. Such behavior are due to mismatch of the real behavior of the motor, which is non-linear and time-varying system, and the mathematical model used in the project. Thus, parametric identification techniques allow the motor parameters to be determined online, tracking its time variation. The focus of the thesis is to present a general background of the subject and show the results obtained using techniques of parametric identification, more specifically exploring the least squares method to fit the parameters of the motor in closed loop. / Quando o motor de indução trifásico é acionado em malha de controle vetorial, é considerado o modelo matemático como um conjunto de equações lineares, por isso o controle é mais efetivo somente sobre este ponto de operação. Entretanto, quando se muda esse ponto, o controle pode passar a não responder mais adequadamente, causando erros indesejáveis de velocidade, posição e até mesmo a instabilidade. Tais fatos ocorrem devido à descasamentos entre o comportamento real do motor, que é não linear e variante no tempo, e o modelo matemático utilizado para o projeto. Dentro de tal contexto, as técnicas de identificação paramétrica permitem que os parâmetros do motor sejam determinados de forma online, monitorando sua variação no tempo. O foco principal deste trabalho é apresentar um cenário geral do assunto e mostrar os resultados obtidos usando as técnicas de identificação paramétrica, mais especificamente explorando o método dos mínimos quadrados para ajustar os parâmetros do motor em malha fechada

Apresenta-se neste trabalho uma plataforma de simulação, acionamento e controle de máquinas de indução trifásicas e pentafásicas, baseada na integração entre ambientes de simulação e de prototipação em tempo real. Esta plataforma é composta por ferramentas de software desenvolvidas para MATLAB/Simulink R que interagem com a plataforma de hardware dSPACE R DS1104, permitindo gerar aplicações diretamente do ambiente de simulação para acionamento da plataforma física de máquinas de maneira rápida e transparente para o usuário. Inicialmente é abordada a teoria que envolve o acionamento e o controle de máquinas de indução. Descrevem-se os modelos da máquina de indução trifásica e da máquina de indução pentafásica, o segundo incluindo efeitos de terceiro harmônico do campo do entreferro. Também são abordados os modelos de inversores de frequência e as técnicas, escalar V=f e vetorial por orientação indireta e direta de campo, de controle de máquinas de indução. Depois disso, são descritas as ferramentas de software desenvolvidas e também a plataforma de hardware utilizada. As ferramentas de simulação implementadas são validadas para permitir a reprodução da dinâmica das máquinas de indução, dos blocos sensores de corrente, velocidade e torque e do acionamento de potência. Além disso, são desenvolvidas ferramentas de controle que implementam as técnicas de controle V=f e orientação de campo, também incluindo blocos que implementam estimadores de fluxo, transformação de coordenadas e de referencial, entre outros. A integração entre o ambiente de simulação e a prototipação do algoritmo de controle é obtida por meio do uso do framework da plataforma dSPACE DS1104 e da implementação de ferramentas de tempo real que servem de link entre ambiente de simulação e de prototipação. Do ponto de vista do usuário da biblioteca proposta, a transição entre ambiente de simulação e de prototipação é realizada pela substituição de blocos de modelos por blocos de tempo real. O algoritmo de controle pode ser simulado em ambiente Simulink e diretamente compilado a partir deste para a plataforma dSPACE DS1104, onde será executado em tempo real. São criados experimentos que demonstram a aplicabilidade da plataforma proposta por meio da implementação em simulação e também em tempo real de controladores de velocidade para a máquina de indução trifásica e para a máquina de indução pentafásica. Utilizam-se as técnicas de controle escalar V=f e controle vetorial por orientação direta e indireta de campo. / In this work is presented a platform for simulation and prototyping of control techniques for 3-phase and 5-phase induction machines. It is developed a toolbox library in MATLAB/Simulink R to be used with dSPACE R DS1104 platform. The software tools and the hardware platform are both described and provide an integrated environment which allows the user to develop and evaluate control techniques for induction machines by means of pure simulation as well as executing them on an underlying hardware platform connected to the machine. The transition from simulation to a hardware platform is done transparently for the user using rapid prototyping tools. Firstly it is presented the induction machine control theory. The model for the 3- phase induction machine is described, as well as the model for the 5-phase machine. The model for the 5-phase induction machine allows the inclusion of the effects of the third harmonic of the air-gap field. The models for the power inverters with 3 and 5 phases are also described and the theory of the V=f control together with the theory of field oriented control are detailed. The developed software tools for simulation, control and real time execution of control techniques are explained in details and the hardware implementation for signals instrumentation are also presented. The integration between software simulation and real time execution is achieved by means of the use of the dSPACE R DS1104 framework together with the real time tools developed in MATLAB R . From the user point-of-view, the transition from simulation environment to real time execution environment is achieved by simply changing the model blocks by the real time blocks, both developed in the proposed framework library. The real time environment can be compiled inside Simulink and the algorithm can be loaded into DS1104 board to be executed. Experiments that demonstrate the applicability of the proposed framework are presented which implement the V=f, indirect field oriented and direct field oriented controls on both, 3-phase and 5-phase, induction machines.

Este trabalho tem como objetivo investigar a máquina de indução funcionando como gerador. Para isso, são pesquisadas as normas e requisitos para operação interligada à rede de distribuição até o presente momento. Os parâmetros elétricos referente ao circuito equivalente monofásico da máquina de indução de 15 kW, pertencente a um grupo gerador a biogás, são levantados, realizando-se uma caracterização e modelamento destes parâmetros. Os resultados teóricos obtidos têm o intuito de predizer o comportamento das grandezas elétricas quando o grupo gerador operar em condições nominais, interligado a rede de distribuição. Também, estes resultados teóricos são comparados com valores medidos em ensaios de campo utilizando um motor CC de 10 kW como máquina primária. / This study aims at investigate the induction machine operating as a generator. For this, we researched the standards and requirements for the operation connected to the distribution grid to the present date. The electrical parameters concerning the equivalent circuit per phase of a 15 kW induction machine are raised, this machine is part of a small biogas plant. An appropriate characterization and modeling of these parameters are realized and the theoretical results obtained are intended to predict the behavior of electrical units when the generator is placed at nominal operation. Also, these theoretical results are compared with experimental measurements using a 10 kW DC motor as primary mover.