Este trabalho apresenta uma detalhada análise a respeito da estimação de fluxo e velocidade de rotor em motores de indução, operando sob controle vetorial direto. É realizado um estudo comparativo de desempenho entre várias técnicas de estimação baseado em condições realistas de operação, exibindo variações paramétricas, ruídos de medida e operação em baixas velocidades. São analisadas estratégias de estimação determinísticas e estocásticas, utilizando observadores de estado e estimadores baseados na teoria de filtro de Kalman. São propostos melhoramentos para um observador de estados baseado no conceito modo deslizante e um novo método de estimação simultânea de fluxo, velocidade e resistência de rotor utilizando filtro de Kalman estendido. As características do observador tipo modo deslizantes são aprimoradas, propondo-se um novo procedimento de integração do fluxo de rotor, permitindo uma adequada estimação dentro de uma ampla faixa de velocidades de operação. O estimador via FKE encontra-se na forma delayed state filter e também é feita uma análise sobre a viabilidade da estimação conjunta de velocidade e resistência de rotor, pois é sabido que, neste caso, há dificuldade em se obter estimativas adequadas para ambas as variáveis simultâneamente. Os resultados de simulação mostram a efetividade dos estimadores propostos, no que se refere às seguintes características de desempenho: comportamento transitório, acurabilidade estática e robustez a ruídos e variações nos parâmetros do modelo.

Os motores de indução monofásicos necessitam de dois enrolamentos estatóricos para criação de um campo magnético girante: um enrolamento principal e um enrolamento auxiliar. Este último tem o objetivo de criar um campo girante apenas na partida do motor, desligando-se logo em seguida, através de um interruptor centrífugo acoplado ao eixo do rotor da máquina. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência das diferentes configurações de enrolamentos sobre as características externas do motor de indução monofásico. Sendo assim, através desta análise, pretende-se verificar se há algum benefício em seu desempenho. Neste trabalho, duas configurações de enrolamentos foram desenvolvidas e testadas em laboratório. Na primeira configuração, o enrolamento principal foi alocado na parte inferior das ranhuras. Na segunda configuração, as posições dos enrolamentos foram invertidas. As duas configurações de enrolamento foram aplicadas a um protótipo de 0,37 kW, quatro pólos. A simulação foi realizada através de um programa computacional de elementos finitos, possibilitando a extração e análise de resultados, com as densidades de fluxo nas duas configurações. Os resultados dos ensaios realizados no protótipo permitiram analisar o comportamento de grandezas como corrente elétrica, torque, potência e rendimento que são apresentados e comparados no final deste trabalho. / The single phase induction motor needs two stator windings to produce the rotating magnetic field: a main winding and an auxiliary winding. The aim of the auxiliary winding is to create the rotating electromagnetic field when the machine is starting and afterwards turned off, generally through a centrifugal switch coupled to the shaft of the machine. The main purpose of this work is to evaluate the influence that the position of the two windings have on the external characteristics of the single phase induction motor. For this purpose, two different kinds of winding configurations were carried out and simulated in a prototype. In the first configuration, the main winding was located in the bottom of the slot. In the second configuration, the positions of the windings were inverted. Performance analysis and computational simulation by Finite Element Method were carried out after the prototype 0.37 kW, four poles was prepared. In this way, through this analysis, improvements on its performance are expected. The electrical quantities such as flux density, electric current, torque, power and efficiency are compared in the end of this document.

Este trabalho tem por objetivo apresentar e discutir alguns modelos desenvolvidos para a avaliação do impacto de motores de indução trifásicos nas redes de distribuição de energia elétrica partindo de seus dados de placa e utilizando algoritmos evolutivos para o cálculo dos parâmetros elétricos do circuito equivalente do motor. A discussão é de fundamental importância, na medida em que as distorções na onda de tensão impactam diretamente na qualidade do suprimento promovida por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e frequência constantes. Destaca-se a importância da representação de alguns aspectos específicos na avaliação do impacto de motores trifásicos na rede de distribuição. Por exemplo, a representação correta dos motores de indução na sua partida permitirá a identificação de afundamentos momentâneos de tensão tanto em pontos da rede secundária quanto da rede primária. Este trabalho apresenta o modelo de representação do motor de indução e dos elementos constituintes das redes de baixa e média tensão, incluindo os transformadores de distribuição, que possibilitam a análise do impacto desta carga perturbadora em toda a cadeia da rede, partindo-se do ponto de ligação do equipamento e analisando-se, dependendo do caso, a rede secundária, transformador de distribuição, rede primária e subestação de distribuição. Com o módulo computacional desenvolvido a partir da metodologia proposta neste trabalho, foi possível propor critérios bem definidos para avaliar se a partida de motores causa algum prejuízo para a rede de baixa tensão e/ou aos demais consumidores. Foi apresentado um método detalhado e um método expedito que permitem avaliar a viabilidade da instalação de um motor em uma determinada barra dependendo de sua potência, da potência nominal do transformador de distribuição e da sua distância até o transformador. Os critérios e os métodos estabelecidos neste trabalho constituem-se em uma proposta de regulamentação para o acesso de motores de indução à rede de baixa tensão e representam a segunda grande contribuição deste trabalho. / Much research is currently being conducted on the subject of Power Quality in electrical systems. This stems from the widespread use of polluting devices that introduce distortions on voltage waveforms so these become increasingly different form pure sinusoidal. At the same time, there has also been an increase on the use of sensitive equipment that cannot operate properly when fed by a non-sinusoidal source. This work focuses on the development of a few models aimed at evaluating the impact of electrical motors on electricity distribution networks. Motors have a direct impact on the quality of electrical energy provided to the networks customers, mainly owing to voltage sags during the motors startup. A detailed representation of all components (motors, primary circuits, distribution transformers and secondary circuits) has been developed. This allows a precise identification of critical points of the distribution system as to voltage sags. The first important contribution of this work refers to the computation of the motors equivalent circuit from its rated data using evolutionary algorithms. With these models, two different methods for evaluating the impact of the connection of a motor at a given load point were developed. These methods take into account the motors rated power, the distance between the distribution transformer and the load point, and the transformers rated power. The methods constitute a proposal for a regulatory framework within this subject, and they represent the second major contribution of this work.

Os motores de indução monofásicos necessitam de dois enrolamentos estatóricos para criação de um campo magnético girante: um enrolamento principal e um enrolamento auxiliar. Este último tem o objetivo de criar um campo girante apenas na partida do motor, desligando-se logo em seguida, através de um interruptor centrífugo acoplado ao eixo do rotor da máquina. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência das diferentes configurações de enrolamentos sobre as características externas do motor de indução monofásico. Sendo assim, através desta análise, pretende-se verificar se há algum benefício em seu desempenho. Neste trabalho, duas configurações de enrolamentos foram desenvolvidas e testadas em laboratório. Na primeira configuração, o enrolamento principal foi alocado na parte inferior das ranhuras. Na segunda configuração, as posições dos enrolamentos foram invertidas. As duas configurações de enrolamento foram aplicadas a um protótipo de 0,37 kW, quatro pólos. A simulação foi realizada através de um programa computacional de elementos finitos, possibilitando a extração e análise de resultados, com as densidades de fluxo nas duas configurações. Os resultados dos ensaios realizados no protótipo permitiram analisar o comportamento de grandezas como corrente elétrica, torque, potência e rendimento que são apresentados e comparados no final deste trabalho. / The single phase induction motor needs two stator windings to produce the rotating magnetic field: a main winding and an auxiliary winding. The aim of the auxiliary winding is to create the rotating electromagnetic field when the machine is starting and afterwards turned off, generally through a centrifugal switch coupled to the shaft of the machine. The main purpose of this work is to evaluate the influence that the position of the two windings have on the external characteristics of the single phase induction motor. For this purpose, two different kinds of winding configurations were carried out and simulated in a prototype. In the first configuration, the main winding was located in the bottom of the slot. In the second configuration, the positions of the windings were inverted. Performance analysis and computational simulation by Finite Element Method were carried out after the prototype 0.37 kW, four poles was prepared. In this way, through this analysis, improvements on its performance are expected. The electrical quantities such as flux density, electric current, torque, power and efficiency are compared in the end of this document.

A velocidade dos motores de indução é uma grandeza importante em um processo industrial. Entretanto, a medição direta da velocidade em motores de indução pode comprometer o sistema de acionamento e controle, aumentando o custo de implementação. Assim, as técnicas sensorless destinadas a estimar ou prever a velocidade em motores de indução são amplamente investigadas para uso em várias unidades industriais. Essa estratégia, quando baseada nos modelos matemáticos dos motores de indução é, normalmente, dependente dos parâmetros da máquina ou requer outro método que faça uma estimativa ou previsão. Assim, a abordagem alternativa deste trabalho consiste no uso de duas estratégias de implementação de redes neurais artificiais como estimador de velocidade aplicado a duas estratégias de controle do motor de indução orientado pelo campo do estator, controle direto de corrente e controle direto de torque. A velocidade síncrona, as correntes do estator e o torque eletromagnético, que são variáveis utilizadas nos algoritmos de acionamentos orientados no campo eletromagnético, são as entradas dos estimadores neurais propostos. Neste trabalho, resultados de simulação são aplicados no processo de seleção das redes neurais e os resultados experimentais mostram o desempenho de duas estratégias de implementação do estimador neural de velocidade embarcadas em DSP em diferentes metodologias de controle com dois motores de indução de potências diferentes. / The induction motor speed is an important quantity in an industrial process. However, the direct measurement of speed on induction motors can compromise the drive and control system, increasing the implementation cost. Thus, sensorless techniques aimed at estimating or predicting the speed in induction motors are widely investigated to be used in industrial plant units. This strategy, when based on the mathematical models of the induction motors is, usually, dependent on the machine parameters or requires another method that makes an estimation or prediction. Thus, the alternative approach of this work consists in the use of two implementation strategies of artificial neural networks as speed estimator applied to two stator field-oriented induction motor control strategies, direct current control and direct torque control. The synchronous speed, the stator currents and the electromagnetic torque, which are quantities used in field-oriented drives, are the inputs of the proposed neural estimators. In this work, simulation results are applied to neural networks selection process and the experimental results show the performance of two implementation strategies of the neural speed estimator embedded in DSP in different control methodologies with two induction motors with different powers.

Na presente tese é apresentado o projeto completo de um observador de fluxo magnético (determinístico, discreto e assintoticamente estável) aplicado ao sistema de controle realimentado de um servo acionamento baseado no motor de indução. Uma vez que o modelo reduzido do motor de indução, além de vários outros tipos de sistemas físicos, é representado mediante modelos em espaço de estados onde existe um retardo na equação de saída, nesta tese é proposto um observador robusto, baseado no Delayed State Kalman Filter, projetado de forma determinística e aplicada a sistemas não-lineares discretos. As características de convergência são determinadas mediante a análise de inequações matriciais lineares (LMI) obtidas a partir da função candidata de Lyapunov. Os erros introduzidos na linearização da matriz de dinâmica da planta e na inicialização incorreta do observador são considerados, inserindo-se matrizes auxiliares diagonais, assumidas como não conhecidas e em função da escolha adequada das matrizes de projeto Rk+1 e Qk. Uma outra contribuição desta tese é a análise detalhada da observabilidade não-linear dos modelos discretos, ordem completa e ordem reduzida, baseados nos modelos de tensões e correntes do motor de indução respectivamente. Diferentes condições de operação são analisadas, considerando-se a velocidade instantânea do rotor, valor do torque de carga, variações paramétricas e a adição de pequenos sinais de perturbação na referência da magnitude do vetor de fluxo do rotor, são consideradas. O observador analisado é então utilizado em um sistema de controle discreto não-linear. O controlador proposto, baseado nas equações características do controle de campo orientado indireto, apresenta uma prova de estabilidade quando são assumidos parâmetros constantes e conhecidos no motor, e quando existe disponibilidade de todos os estados do modelo (incluindo fluxo do rotor). Da mesma forma, é verificado que o sistema de controle realimentado pode utilizar a abordagem equivalência certeza em função da relação entre os conceitos não-lineares de estabilidade entrada-estado e estabilidade robusta. O projeto do sistema de controle é baseado na técnica de estabilização por realimentação e o controle adaptivo realimentado é baseado na extensão ao domínio discreto das definições de estabilidade entrada-estado e estabilidade robusta. Convém mencionar que no projeto do sistema de controle é assumido o modelo de ordem reduzida do motor de indução. Desta forma, não existe a necessidade de considerar a dinâmica do circuito de estator e o custo computacional da implementação do sistema é reduzido. Em todas as simulações relativas ao observador de fluxo magnético proposto, são consideradas diferentes condições de operação no servo acionamento, assim como as características da implementação prática do sistema (algoritmos PWM e filtros antialiasing). Da mesma forma, nas realizações do sistema de controle não-linear proposto, é objetivada a verificação das condições de estabilidade entrada-estado determinadas de forma teórica.

A velocidade dos motores de indução é uma grandeza importante em um processo industrial. Entretanto, a medição direta da velocidade em motores de indução pode comprometer o sistema de acionamento e controle, aumentando o custo de implementação. Assim, as técnicas sensorless destinadas a estimar ou prever a velocidade em motores de indução são amplamente investigadas para uso em várias unidades industriais. Essa estratégia, quando baseada nos modelos matemáticos dos motores de indução é, normalmente, dependente dos parâmetros da máquina ou requer outro método que faça uma estimativa ou previsão. Assim, a abordagem alternativa deste trabalho consiste no uso de duas estratégias de implementação de redes neurais artificiais como estimador de velocidade aplicado a duas estratégias de controle do motor de indução orientado pelo campo do estator, controle direto de corrente e controle direto de torque. A velocidade síncrona, as correntes do estator e o torque eletromagnético, que são variáveis utilizadas nos algoritmos de acionamentos orientados no campo eletromagnético, são as entradas dos estimadores neurais propostos. Neste trabalho, resultados de simulação são aplicados no processo de seleção das redes neurais e os resultados experimentais mostram o desempenho de duas estratégias de implementação do estimador neural de velocidade embarcadas em DSP em diferentes metodologias de controle com dois motores de indução de potências diferentes. / The induction motor speed is an important quantity in an industrial process. However, the direct measurement of speed on induction motors can compromise the drive and control system, increasing the implementation cost. Thus, sensorless techniques aimed at estimating or predicting the speed in induction motors are widely investigated to be used in industrial plant units. This strategy, when based on the mathematical models of the induction motors is, usually, dependent on the machine parameters or requires another method that makes an estimation or prediction. Thus, the alternative approach of this work consists in the use of two implementation strategies of artificial neural networks as speed estimator applied to two stator field-oriented induction motor control strategies, direct current control and direct torque control. The synchronous speed, the stator currents and the electromagnetic torque, which are quantities used in field-oriented drives, are the inputs of the proposed neural estimators. In this work, simulation results are applied to neural networks selection process and the experimental results show the performance of two implementation strategies of the neural speed estimator embedded in DSP in different control methodologies with two induction motors with different powers.

The induction motors are used worldwide in various industries. Several maintenance techniques are applied to increase the operating time and the lifespan of these motors. Among these, the predictive maintenance techniques such as Motor Current Signature Analysis (MCSA), Motor Square Current Signature Analysis (MSCSA), Park's Vector Approach (PVA) and Park's Vector Square Modulus (PVSM) are used to detect and diagnose faults in electric motors, characterized by patterns in the stator current frequency spectrum. In this work, these techniques are applied and compared on real motors, which have the faults of eccentricity in the air-gap, inter-turn short circuit and broken bars. It was used a theoretical model of an electric induction motor without fault and with the same voltage supply in order to assist comparison between the stator current frequency spectrum patterns with and without faults. Metrics were purposed and applied to evaluate the sensitivity of each technique fault detection. The results presented here show that the above techniques are suitable for the faults above mentioned. / Os motores elétricos de indução são utilizados em todo o mundo nos mais variados ramos industriais. Diversas técnicas de manutenção são aplicadas para aumentar o tempo de operação e a vida útil destes motores. No contexto da manutenção preditiva, técnicas como Motor Current Signature Analysis (MCSA), Motor Square Current Signature Analysis (MSCSA), Park’s Vector Approach (PVA) e Park’s Vector Square Modulus (PVSM) são utilizadas para detectar e diagnosticar falhas em motores elétricos, caracterizadas por padrões no espectro de frequência da corrente estatórica. Neste trabalho, estas técnicas são aplicadas e comparadas em motores reais, os quais apresentam as falhas de excentricidade no entreferro, curto circuito entre espiras e barras quebradas. Utilizou-se um modelo teórico de um motor elétrico de indução sem falhas, com a mesma tensão de suprimento, com o objetivo de auxiliar a comparação entre os padrões do espectro de frequência de corrente estatórica com e sem falhas. Foram propostas e aplicadas métricas que avaliam a sensibilidade de cada técnica na detecção da falha. Os resultados apresentados neste trabalho mostraram que as técnicas acima mencionadas foram adequadas para as falhas supracitadas, cuja comparação entre estas evidenciou a adequabilidade de cada uma.

O presente trabalho apresenta a identificação de parâmetros de motor de indução linear tubular para a extração de petróleo, denominado de MATÆOS -- Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo Subterrâneo. O primeiro passo para a identificação de parâmetros do motor foi a implementação da bancada de testes com o seu sistema de controle e supervisório. O modelo adotado corresponde à situação de operação em regime estacionário e consiste no circuito contendo resistores e indutores tradicionalmente utilizado para representar motores de indução. A identificação dos parâmetros foi realizada por meio de um procedimento de otimização tomando por base o balanço de potência do motor. Para isso, em função dos parâmetros do modelo, definiu-se e minimizou-se uma medida de erro entre as potências medidas e as calculadas pelo modelo para um conjunto pré-fixado de escorregamentos. A solução desse problema de otimização foi obtida por meio de uma busca exaustiva, uma vez que o número de variáveis independentes do problema é pequeno e uma região contendo o ponto de mínimo é conhecida com razoável confiança. Os resultados obtidos indicam que os valores dos parâmetros nominais a quente apresentam algumas diferenças em relação àqueles produzidos pelo método de identificação. Essas diferenças se devem possivelmente a variações nas características térmicas do motor e a erros introduzidos pelos instrumentos de medida. O modelo identificado apresentou uma menor disponibilidade de força e um pior rendimento quando comparado com os valores de projeto do modelo nominal a quente. Apesar disto, verificou-se uma boa proximidade entre a curva característica do modelo e as obtidas experimentalmente. / This work presents the identification of parameters of the tubular linear induction motor for the extraction of oil, called MATÆOS - which is the Portuguese acronym for Asynchronous Tubular Motor for Application to Subterranean Oil Extraction. The first step to the identification of the motor parameters was the implementation of the supervisory and control system for the test bench. The model, which is the usual one containing resistors and inductors, represents the motor operating in steady-state. The parameter identification problem was written as an optimization problem based on the motor power balance. An error between the measured power and the one given by the model was defined and minimized with respect to the model parameters in correspondence to a given set of slipping frequencies. The numerical solution to this problem was obtained by an exhaustive search algorithm. This choice was made because the number of independent variables is small and a region containing the solution is known with a significant degree of confidence. The results obtained show that the nominal values of the model parameters differ slightly from those produced by the identification method. Possibly, such differences are due to the variations in the model caused by temperature changes and to the measurement errors. The identified model presented both a lower available force and a worst efficiency when compared to the nominal design values for the warm motor. Despite this the characteristic curve of the model was quite close to the nominal design one.

O presente trabalho apresenta a identificação de parâmetros de motor de indução linear tubular para a extração de petróleo, denominado de MATÆOS -- Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo Subterrâneo. O primeiro passo para a identificação de parâmetros do motor foi a implementação da bancada de testes com o seu sistema de controle e supervisório. O modelo adotado corresponde à situação de operação em regime estacionário e consiste no circuito contendo resistores e indutores tradicionalmente utilizado para representar motores de indução. A identificação dos parâmetros foi realizada por meio de um procedimento de otimização tomando por base o balanço de potência do motor. Para isso, em função dos parâmetros do modelo, definiu-se e minimizou-se uma medida de erro entre as potências medidas e as calculadas pelo modelo para um conjunto pré-fixado de escorregamentos. A solução desse problema de otimização foi obtida por meio de uma busca exaustiva, uma vez que o número de variáveis independentes do problema é pequeno e uma região contendo o ponto de mínimo é conhecida com razoável confiança. Os resultados obtidos indicam que os valores dos parâmetros nominais a quente apresentam algumas diferenças em relação àqueles produzidos pelo método de identificação. Essas diferenças se devem possivelmente a variações nas características térmicas do motor e a erros introduzidos pelos instrumentos de medida. O modelo identificado apresentou uma menor disponibilidade de força e um pior rendimento quando comparado com os valores de projeto do modelo nominal a quente. Apesar disto, verificou-se uma boa proximidade entre a curva característica do modelo e as obtidas experimentalmente. / This work presents the identification of parameters of the tubular linear induction motor for the extraction of oil, called MATÆOS - which is the Portuguese acronym for Asynchronous Tubular Motor for Application to Subterranean Oil Extraction. The first step to the identification of the motor parameters was the implementation of the supervisory and control system for the test bench. The model, which is the usual one containing resistors and inductors, represents the motor operating in steady-state. The parameter identification problem was written as an optimization problem based on the motor power balance. An error between the measured power and the one given by the model was defined and minimized with respect to the model parameters in correspondence to a given set of slipping frequencies. The numerical solution to this problem was obtained by an exhaustive search algorithm. This choice was made because the number of independent variables is small and a region containing the solution is known with a significant degree of confidence. The results obtained show that the nominal values of the model parameters differ slightly from those produced by the identification method. Possibly, such differences are due to the variations in the model caused by temperature changes and to the measurement errors. The identified model presented both a lower available force and a worst efficiency when compared to the nominal design values for the warm motor. Despite this the characteristic curve of the model was quite close to the nominal design one.