Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T16:21:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 275393.pdf: 4002670 bytes, checksum: 469ff82b0090cfab9530bd4bd13888d7 (MD5) / Este trabalho aborda o estudo de um atuador linear para aplicação em compressores herméticos. Primeiramente, apresenta-se uma revisão básica sobre os aspectos gerais dos sistemas de refrigeração. Desenvolve-se a modelagem analítica do atuador, utilizando o modelo de relutância para cálculo do fluxo magnético e para obtenção da força eletromotriz induzida. O atuador é, então, modelado a partir das equações de Maxwell para o problema magnetostático. Essas equações são resolvidas usando-se o MEF com o auxílio de software. Devido à simetria do atuador é usada a formulação axissimétrica em potencial vetor. Em seguida, apresenta-se a metodologia de cálculo desenvolvida nesse trabalho para projetar um atuador. O trabalho também mostra a metodologia experimental e a bancada de testes utilizada durante as medições, onde se optou pelo conceito de acoplamento Back-to-Back dos motores avaliados. Além disso, métodos de otimização são estudados e o atuador proposto é otimizado com uma ferramenta de otimização baseada em algoritmos genéticos. Por fim, os resultados obtidos analítica e numericamente são comparados com os resultados obtidos em medições experimentais. A boa concordância entre os resultados permite validar a metodologia de projeto proposta nesse trabalho. / The aim of this work is to study a linear actuator for the application in hermetic compressors. Firstly, a basic review on the general aspects of refrigeration systems is presented, which is followed by the analytical modeling of the linear actuator, using the reluctance model for the magnetic flux and induced electromotive force calculations. The actuator is then modeled from Maxwell's equations for the magnetostatic problem, which are solved using the Finite Element Method supported by the software FEMM. Due to the symmetry of the actuator an axi-symmetric vector potential formulation is used. After that, the developed calculation procedure to design the actuator is presented, as well as the experimental methodology and the test bench used for the measurement of the prototypes performance, where the "Back-to-Back" coupling concept is chosen. Moreover, optimization methods are studied and the proposed actuator is optimized with an optimization tool based on genetic algorithms. Finally, the results obtained analytically and numerically are compared to the results obtained in experimental measurement. The good agreement between the results allows to validate the design methodology proposed in this work.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-25T08:11:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 303778.pdf: 6180783 bytes, checksum: 7527e4ebce338d2a006376414c378891 (MD5) / Recentemente, nota-se um aumento crescente na preocupação com as causas ambientais. Em escala mundial, a consciência ecológica e, em particular, a aceleração do aquecimento global pela emissão de gases de usinas termoelétricas, têm aumentado cada vez mais a pressão sobre os fabricantes de máquinas elétricas no sentido de disponibilizar produtos de alta eficiência. Os motores síncronos de partida direta com ímã permanente (LSPM) podem ser considerados uma alternativa ao motor de indução convencional por oferecer alta eficiência e fator de potência elevado. Neste trabalho, é apresentada uma introdução inicial a respeito dos motores síncronos. Também são destacadas as características construtivas importantes para o projeto deste tipo de motor. O efeito da geometria do estator e rotor no funcionamento assíncrono do motor LSPM é analisada através de uma nova proposta de modelagem. O efeito do torque de freio gerado pelo magneto é estudado e aplicado à teoria do motor de indução de modo a gerar um método completo de modelagem. Finalmente, uma comparação entre os resultados das simulações e dos experimentos é apresentada, e em sequencia, são apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros. / In recent years, there has been a significant increase in awareness of environmental issues. Worldwide concern for the environment and, in particular, the acceleration of global warming by the emission of gases from power stations is leading to growing pressure on manufacturers to produce higher efficiency electrical machines. Linestart permanent magnet (LSPM) motor is noted as an alternative to the conventional induction motor because it offers a very high efficiency and high power factor. In this work, a initial background about synchronous motors is given. Also, the important constructive characteristics are explained in order to give the reader a better idea about the challenges involved in the motor design. The effects of stator and rotor geometries on the asynchronous behavior of the LSPM motor are analyzed using a new proposed analytical modeling. The effect of the magnet braking torque was studied and applied to the current induction motor theory to generate the complete simulation method. Finally, a comparison between simulation and experimental results is presented, which is followed by the conclusions and suggestions for further studies.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-22T22:47:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 240106.pdf: 1312507 bytes, checksum: f15fa92358aceb4bb51fe818d5e3d10c (MD5) / Este trabalho apresenta de forma sistematizada a aplicação de um projeto de experimento para demonstrar a diferença de comportamento entre dois modelos de motor elétrico aplicados em produtos condicionadores de ar. A tabela 7.2 apresenta os fatores e seus níveis usados no experimento, assim como as variáveis resposta que foram analisadas.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T05:46:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 241253.pdf: 6656944 bytes, checksum: 4dd7aeef47946e24b58f48b229c967f8 (MD5) / Esta tese apresenta uma análise teórica e experimental sobre as causas do aumento do ruído acústico de origem magnética em motores de indução trifásicos devido à excentricidade. São apresentados os fundamentos teóricos e conceituais referentes à geração do ruído acústico de origem magnética em máquinas elétricas e a metodologia para determinar as diversas harmônicas de indução presentes no entreferro de motores de indução trifásicos a partir das ondas de permeância e de força magnetomotriz. Através do tensor de Maxwell, são determinadas as ondas de força que atuam no entreferro devido à excentricidade, com ênfase no cálculo do modo de excitação e da freqüência de cada onda. A influência do enrolamento e da carcaça nas freqüências naturais de vibração do pacote de chapas do estator é considerada. Mostra-se que o aumento do ruído acústico de origem magnética devido à excentricidade é devido à geração de modos de excitação de baixa ordem, principalmente o modo dois. Isto acontece porque, para grandes excentricidades, não se pode desprezar a segunda harmônica de permeância de excentricidade. É analisada também a influência da excentricidade não uniforme ao longo do comprimento axial do rotor no ruído acústico e na vibração de origem magnética. A influência da excentricidade sobre a geração dos torques síncronos é analisada teoricamente. É apresentado um motor especialmente projetado e construído, incorporando um dispositivo que permite a variação da excentricidade independentemente nos dois mancais. A tese apresenta diversos aspectos de originalidade sobre o referido tema.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T07:45:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 246923.pdf: 3049856 bytes, checksum: 36c10464f0f96078501e736c7525b66e (MD5) / Esta dissertação apresenta estudos e projeto de motores de alta velocidade para aplicação em compressores herméticos. Aspectos gerais sobre sistemas de refrigeração são apresentados. Uma revisão dos principais conceitos relativos ao magnetismo é feita e os mecanismos de perdas em materiais magnéticos abordados. Os resultados da caracterização de alguns materiais, indicados para aplicação em questão, são apresentados. Diferentes tipos de máquinas são considerados durante a escolha da estrutura mais adequada à aplicação. O motor de corrente contínua sem escovas é escolhido por ser relativamente simples de se controlar e fabricar. Aspectos construtivos, como a fragilidade dos ímãs quando submetidos a altas rotações, sugeriu a adoção de uma estrutura com rotor externo. Para o projeto da máquina, um modelo analítico que permite um rápido dimensionamento do motor foi realizado e sua validação comprovada através de simulações numéricas com o método de elementos finitos. Como resultado, apresenta-se um projeto atendendo aos requisitos de desempenho. This work approaches the study and design of high-speed motors for application in hermetic compressors. General issues about cooling systems are presented. A review of the main concepts related to the magnetism theory is presented and the losses functioning highlighted. Some results of material's characterization, indicated for the proposed application, are presented. Different types of machines are considered during the choice of the most appropriated structure to the application. The brushless DC motor is selected because of its relative control and manufacture simplicity. Constructive issues, like the magnets brittleness when they are submitted to high-speed conditions, indicate that an outer-rotor structure should be used. Concerning the machine design, an analytical formulation which allows a fast motor sizing is introduced and its validation is achieved throughout finite element analysis. A motor design, which reaches the performance requirements, is presented as a result.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T11:04:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 249275.pdf: 2655556 bytes, checksum: 25fe91f9a93b21cb63e4f79051d4192e (MD5) / O gás natural é um dos combustíveis presentes na matriz energética brasileira que possui o potencial de redução na agressão ao meio ambiente, tanto na redução da emissão de poluentes gasosos (CO, NOx, SO3, etc.) como na redução da emissão de CO2 por quantidade de energia gerada. No entanto, o seu uso no setor automotivo, assim como o uso de outros combustíveis alternativos, depende do correto projeto ou adaptação/regulagem dos motores ao uso deste combustível. Na busca por ferramentas de engenharia que auxiliem no projeto e no desenvolvimento de motores a combustão interna que utilizem combustíveis alternativos, este trabalho objetiva o desenvolvimento de um modelo computacional bidimensional para a simulação de um motor a combustão interna naturalmente aspirado, com admissão de combustível e ar pré-misturados e com ignição por centelha. O gás metano é utilizado como um modelo de gás natural. A atenção do trabalho é direcionada aos fenômenos físicos e químicos associados à dinâmica do escoamento, à combustão e à transferência de calor no interior da câmara de combustão. Assim, o modelo para a simulação do problema em questão é obtido a partir da formulação das equações que regem os diversos fenômenos físicos e químicos. Resultados são apresentados para diversas propriedades do escoamento e da combustão, tais como a pressão e a temperatura no interior da câmara de combustão, os fluxos de massa através dos sistemas de admissão e de exaustão, as taxas de combustão e de transferência de calor nas paredes do motor, bem como os campos de velocidade e de temperatura. Analisa-se ainda o efeito de parâmetros de operação do motor através das estimativas de torque, eficiência volumétrica e de conversão do combustível, dentre outros. Os resultados são consistentes com os valores típicos observados em motores a combustão interna. The increasing interest for less polluting energy sources and the recent availability to the final user in the Brazilian market has motivated the use of natural gas as an alternative fuel for internal combustion engine vehicles. In the search for engineering tools to improve internal combustion engines design and optimization, the present work is focussed on the development of a two-dimensional numerical model to simulate a spark-ignition engine fuelled by a mixture of air and methane as a natural gas simplification. Here, attention is directed to physical and chemical phenomena associated to the fluid flow, combustion and heat transfer processes that take place inside the cylinder. To this extent, the problem is formulated through several conservation and constitutive equations, from which the numerical model is then developed to predict the engine performance. Results are provided for some physical proprierties, such as in-cylinder pressure and temperatures, mass flow rates at intake and exhaust systems, combustion rate and heat transfer rate to cylinder walls, besides velocity, turbulence intensity and temperature fields. The effects of the engine operation parameters on the engine performance are assessed through predictions of indicated power, torque and specific fuel consumption as well as volumetric and thermal efficiencies. The results were consistent with available data for production engines and show the model's potential as a research and design tool.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T13:02:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258007.pdf: 3042552 bytes, checksum: 8f478cddf58140a1ad10b6bf36551049 (MD5) / O trabalho apresenta os resultados obtidos no desenvolvimento incremental de um sistema especialista protótipo, o qual tem por objetivo ser utilizado como ferramenta auxiliar na tarefa de verificação da estrutura de produto de um motor elétrico. Analisa o processo de projeto e os conceitos relacionados ao PDP (Processo de Desenvolvimento de Produtos), o qual neste trabalho está relacionado ao projeto de motores elétricos para os quais são apresentados conceitos e detalhes construtivos. Também focaliza na atividade de verificação de projeto com foco na estrutura de produto que é o principal objeto relacionado ao estudo, mostrando as conseqüências da manipulação de dados deste objeto. Aborda conceitos relacionados a sistemas especialistas e a análise de viabilidade que serviu de base para decisão de utilizar sistemas especialistas. O texto mostra o modelo de desenvolvimento incremental adotado, demonstrando a capacidade de expansão conferida ao sistema pelo uso de modelagem orientada a objetos. O trabalho também apresenta aspectos relativos à etapa de representação do conhecimento, uma proposta alternativa ao habitual processo de entrada de dados utilizada em sistemas especialistas e a ferramenta Shell utilizada na implementação. São demonstrados ainda os dados de saída resultantes da execução do sistema e o processo de verificação e validação do protótipo. O procedimento de uso do sistema adotado e os resultados obtidos por meio no número de ocorrências dos casos de erros de projeto identificados os quais permitem avaliar a qualidade dos projetos liberados e identificar a necessidade de capacitação. Finalmente são apresentadas contribuições, benefícios para a empresa, recomendações para trabalhos futuros e as conclusões finais. The work presents the results obtained from the incremental development of an expert system prototype to be used as supporting tool for the design verification of the electrical motor product structure- represented by Bill of Material. It analyzes the design process and the concepts related to PDP- Product Development Process- are also presented. The focus is the design verification, using the Bill of Material, showing the consequences of its manipulation. The work deals with expert system concepts, and the feasibility analysis used as starting point for the project. The text demonstrates the incremental development model applied, with its capacity to expand the system through the application of Object-Oriented Modeling. This project also takes into consideration the knowledge representation phase, and brings an alternative for the conventional process of interaction between the user and the prototype. The system outcomes are also discussed, with the users´ evaluation during the verification and validation phase. The results from the prototype application allow to evaluate the quality of the current design outputs and to identify the need for training. Finally, the work presents the main contributions, benefits for the company with suggestions for future projects in this research topic.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-23T16:43:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / As máquinas de relutância variável vêm recebendo significativa atenção tanto do setor acadêmico quanto da indústria na última década. Apesar das características favoráveis como simplicidade de construção, melhor relação conjugado/volume, baixa inércia, apresentam uma elevada oscilação de conjugado decorrente de sua estrutura de dupla saliência e dos efeitos de chaveamento de corrente entre fases. O conjugado é geralmente controlado via malha interna de corrente. Para se obter mínima oscilação de conjugado, a malha de controle de corrente é uma das mais importantes em um sistema de acionamento baseado em máquinas de relutância variável. A modelagem apropriada da malha de corrente da máquina de relutância variável é essencial na implementação de seu controle. Esta tese apresenta uma nova técnica de identificação baseada na resposta em freqüência do sistema e sem necessitar do prévio conhecimento dos parâmetros da máquina. Entre os controladores mais utilizados, destacam-se o controle de histerese e PWM, geralmente implementado com controlador PI ou PID. O primeiro é indicado para operações em alta velocidade enquanto o segundo é mais eficiente em baixas e médias velocidades. Uma alternativa aos controladores anteriores, quando requisitos de desempenho mais rigorosos se fazem necessário, são os controladores preditivos e auto-ajustáveis, os quais são proposições deste trabalho. Duas técnicas de controle preditivo, GMV e GPC, para sintonia de controladores PI, são utilizadas no controle de corrente do sistema de acionamento com o MRV. Simulações foram realizadas para verificação inicial do comportamento e da viabilidade de implementação dos controladores propostos. A avaliação dos controladores é feita através de índices de desempenho e análise de estabilidade robusta. Os resultados de simulações e resultados experimentais comprovam a viabilidade das técnicas apresentadas. O emprego das estratégias de controle preditivo para o controle da malha de corrente de sistema de acionamento baseado em máquina à relutância variável pode ser considerado uma contribuição deste trabalho à literatura. Um protótipo experimental foi também implementado com um controlador DSP e um conversor do tipo meia-ponte assimétrica para o acionamento de um MRV de 12/8. In the last decade Switched Reluctance Machines (SRMs) are receiving significant attention not only in the academic section but also in industry. In spite of presenting favorable characteristics such as construction simplicity, better relationship torque/volume, low inertia, they present a high torque ripple due to the your structure of couple saliency and switching current effects among the phases. The torque is often controlled via an inner current loop. To achieve good torque control, accurate command tracking for the current control is required. It means that the current loop control is one of the most important in the system drive for variable reluctance machines. An appropriate model of the switched reluctance motor is essential to its control implementation. This thesis presents a new technique for experimental linear model identification based on the system frequency response and without needing the previous knowledge of the parameters of the machine. Among the classical controllers working for the SRMs, there are the hysteresis control and PWM, typically implemented with PI or PID controller. The first is indicated for operations in high-speed while the second is more efficient in drops and averages speeds. An alternative to improve behavior of the previous controllers when more rigorous acting requirements are made necessary are the predictive and self-tuning controllers, which are investigated in this work. Two techniques of predictive control, GMV and GPC, for PI tuning are used in the control current of the system SRM drive. Numerical simulations were accomplished for the initial verification of the system behavior and for viability of the proposed controller implementation. The controller evaluation is made through performance indices and analysis of robust stability. Simulations and experimental results have proved the viability of the presented control techniques. The employment of predictive control strategies for the loop current control of system drive of the machine to the variable reluctance can be considered a contribution from this work to the literature. An experimental prototype was implemented with a DSP controller and with a power converter of the type asymmetric bridge for the drive of a SRM 12/8.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T01:27:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258460.pdf: 7075818 bytes, checksum: 15e993ce7dc102f979efc06fdffe43e6 (MD5) / A temperatura de motores elétricos industriais em funcionamento é mantida em níveis adequados através de um eficiente sistema de resfriamento que é composto basicamente pela superfície de troca térmica, geralmente aletada, e pelo sistema de ventilação. Além disso, os níveis de ruído gerados por tais máquinas não devem ultrapassar os limites exigidos. Neste trabalho desenvolve-se uma metodologia de avaliação do desempenho do sistema de ventilação externo de um motor elétrico autoventilado, quando determinadas características geométricas do rotor deste sistema são alteradas. A metodologia desenvolvida combina a solução numérica do escoamento turbulento no sistema de ventilação com a medição de variáveis acústicas e do escoamento. A solução numérica visa determinar o comportamento de variáveis globais que caracterizam o sistema de ventilação, como a vazão volumétrica e a potência mecânica utilizada para movimentar o fluido. Por sua vez, as medições experimentais das variáveis globais que caracterizam o ventilador para diversas formas e números de pás do rotor visam validar o procedimento numérico em algumas das faixas de operação. As soluções numéricas foram obtidas em regime permanente utilizando o código computacional comercial ANSYS CFX R11.0 com o modelo de turbulência SST e tratamento automático do escoamento próximo a parede. Utilizando teorias de analogia acústica (Powell e Lowson) estimou-se os níveis de ruído sonoro. Toda a solução numérica realizada neste trabalho é em regime permanente utilizando o código computacional comercial ANSYS CFX R11.0 com o modelo de turbulência SST e tratamento automático do escoamento próximo a parede. A utilização combinada das medições e da simulação permitiu explorar alguns comportamentos do sistema de ventilação, incluindo o teste de correlações disponíveis na literatura baseadas em conceitos de similaridade, e permitiu elaborar conclusões sobre aspectos construtivos dos sistemas de ventilação externos de motores elétricos. Os resultados numéricos obtidos representam qualitativamente as medições e mostram o efeito das variáveis de projeto analisadas no desempenho e ruído dos sistemas de ventilação de motores elétricos. A metodologia de análise desenvolvida apresenta-se promissora como ferramenta para o projeto de produtos na área de sistemas de ventilação de motores elétricos.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T05:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 256744.pdf: 2755654 bytes, checksum: 54f64d85429558aa50145e2b66be9947 (MD5) / Este trabalho propõe uma metodologia experimental para a avaliação das perdas no ferro de motores alimentados com tensão do tipo PWM. Dentre a enorme variedade existente hoje em dia de tipos de máquinas elétricas e conversores estáticos de freqüência, este trabalho enfoca os motores de indução de gaiola trifásicos alimentados por conversores de freqüência PWM com tensão imposta. Resultados de ensaios em vazio realizados com motores de indução trifásicos de diferentes potências e construídos com diferentes qualidades de laminações são apresentados e discutidos. Os motores foram alimentados primeiramente com tensão senoidal e posteriormente com tensão PWM, variando-se a freqüência de operação em ambas as condições. O tratamento de dados para cada situação analisada seguiu basicamente o método IEEE-112 de separação de perdas em vazio, com algumas adaptações necessárias para que o método tradicional se adequasse às propostas deste estudo. Como resultado, as perdas no motor de indução, quando alimentado por dois tipos de fontes de tensão, senoidal e PWM, foram comparadas levando em conta também a variação de freqüência. This work proposes an experimental methodology for the evaluation of the iron losses in motors supplied with PWM voltage. Among the huge variety of modern electrical machines and PWM frequency converter types, this work focuses on three-phase cage induction motors fed by voltage source static frequency converters. Results of no-load tests accomplished with two groups of three motors are presented. Each group was formed by identical motors, except for the quality of their lamination steel. The motors have been separately fed by sinusoidal and PWM voltage supply, at varying operation frequencies. Adapting IEEE-112 method for each situation analysed, loss segregation have been carried out and the obtained results were compared. Thereby, the induction motor no-load losses could be verified taking into account both the nature of the voltage source, sinusoidal or PWM, and the operation frequency variation.