Este documento apresenta o desenvolvimento de um modelo computacional para prover informações aos tomadores de decisão frente as alternativas de investimentos na expansão das redes de distribuição. Estas redes, por estarem localizadas em áreas urbanas e rurais, apresentam variadas topologias e número elevado de equipamentos na sua composição, dificultando a análise técnica e econômica diante do número elevado de variáveis envolvidas. O método proposto inclui a avaliação dos principais fatores que tem influência na qualidade da energia, incluindo os índices de confiabilidade. Adicionalmente, aspectos relacionados com os custos financeiros e eficiência são considerados para diferentes condições de operação. As decisões são feitas considerando o desempenho dos transformadores e requisitos exigidos em normas de confiabilidade da agência reguladora do sistema elétrico. Perda de vida em transformadores, perdas técnicas, níveis de tensão e fator de utilização são avaliados em conjunto com a confiabilidade no fornecimento de energia, a fim de combinar os resultados destes critérios com indicadores financeiros. O resultado é a obtenção de indicadores individuais e coletivos que facilitam a tomada de decisão no direcionamento de investimentos a curto e médio prazo, proporcionando de maneira prática e fácil a comparação entre alimentadores, subestações ou mesmo regiões que compõem um sistema de distribuição. Por fim, para verificação do método, realiza-se um estudo de caso num sistema de distribuição real onde são analisados e discutidos os resultados. / This document aims to present the development of a computational model to provide information for decision-making toward the alternatives of investments in distribution system planning. These networks, as they are located in urban and rural areas, can present varied topologies and large numbers of equipment in its arrangement, making it difficult in performing technical and economic analysis due to the large number of variables involved. The proposed method includes the evaluation of main factors that have influence on power quality, including the reliability indexes. Additionally, aspects related to economic costs and energy efficiency are considered for different operating conditions. The decision is made taking into account the performance of medium voltage transformers and distribution system reliability standards of Regulatory Agency requirements. Loss of life in transformers, technical losses, voltage levels, and utilization factor are assessment together with continuity and availability of power supply in order to combine the results of these criteria with financial indicators. The result is the achievement of individual and collective indicators that facilitate decision making in directing investments in the short and medium term, providing a practical and easy way to compare feeders, substations or even regions that comprise a distribution system. The methodology is applied in a real distribution system, and the result are analyzed and discussed.

Orientador: Luís Carlos Origa de Oliveira / Resumo: As profundas mudanças que os sistemas de distribuição de energia elétrica vêm experimentando, devido à crescente penetração de unidades de Geração Distribuída (GD), têm resultado, inevitavelmente, na efetiva ruptura da forma tradicional de controlar e operar o sistema elétrico. A conexão em larga escala de unidades de GD impõe às distribuidoras de energia uma série de desafios técnicos, econômicos e regulatórios, necessários para preservar a continuidade e o nível de Qualidade da Energia Elétrica (QEE) na rede. Além dos benefícios que justificam o investimento, os sistemas de GD contribuem com alguns impactos negativos para o sistema elétrico, entre eles, destacam-se aqui a geração de harmônicas e a injeção de corrente contínua (CC) na rede, em regime permanente, e seus efeitos sobre os transformadores de potência. O incremento de uma componente de fluxo CC em seu enrolamento secundário altera o ponto de operação natural e eficiente do transformador, trazendo prejuízo não só à sua vida útil, mas também à sua funcionalidade na rede. Esta condição favorece a geração e propagação de harmônicas adicionais no sistema alimentador, afetando negativamente o sistema elétrico, sendo esta análise uma contribuição original deste trabalho. Neste sentido, considera-se com grande relevância o estudo de comportamento dos equipamentos projetados para operar essencialmente com sinais em corrente alternada (CA) e que passam a ser submetidos, simultaneamente, a excitações com corrente contínua. ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The deep changes that electric power distribution systems have been experiencing due to the increasing number of Distributed Generation (GD) units, have inevitably resulted in the effective rupture of the traditional way of controlling and operating the electrical system. The large-scale connection of GD units imposes on energy utilities many technical, economic and regulatory challenges necessary to preserve the continuity and the Electric Power Quality (EPQ) level on the grid. In addition to the benefits that justify the investment, GD systems have some negative impacts to the electrical system, among them, the harmonic generation and Direct Current (DC) injection on the grid, and its effects in the power transformers. The increase of a DC flow component in the secondary winding changes the standard and efficient operational point of the transformer, causing damage not only to its lifespan but also to its functionality on the grid. This condition favors the additional harmonics generation and propagation in the feeder system, adversely affecting the electrical system, being this analysis an original contribution of this work. In this way of thinking, it is considered with great relevance the study of the equipment behavior designed to operate essentially with signals in alternating current (AC) and simultaneously subjected to excitations with direct current (DC). Whereas the objective of analyzing not only the effect but also the cause of the double excitation, this thesis ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

This research shows the results obtained in a life cycle assessment (LCA) coils manufactured with copper wires and aluminum wires in two distribution transformers in order to identify which is less impact on the environment. The research is justified as a tool to assist the manufacturers of transformers industries, utilities and consumers in the choice of material to be used for the manufacture of coils. This research is characterized as a case study, using the NBR ISO 14040:2009 and 14044:2009 methodology. The text is divided into five chapters, the introductory first, second for the literature review, the third analyses the methodology, in the fourth the results are listed, and, the last, the conclusions. The main results of the LCA were in terms of impacts and environmental damage according to the assessment method Eco- Indicator 99. The results showed that the use of transformers with aluminum coils cause less impact on the environment. / Esta pesquisa apresenta os resultados obtidos em uma avaliação do ciclo de vida (ACV) de bobinas manufaturadas com fios de cobre e com fios de alumínio em dois transformadores de distribuição a fim de identificar a que representa um menor impacto no meio ambiente. A pesquisa justifica-se como uma ferramenta para auxiliar as indústrias fabricantes de transformadores, concessionárias de energia e consumidores na escolha do material a ser utilizado para a fabricação de bobinas. Esta pesquisa se caracteriza como um estudo de caso, utilizando a metodologia NBR ISO 14040:2009 e 14044:2009. O texto está dividido em cinco capítulos, sendo o primeiro introdutório, o segundo destinado à revisão bibliográfica, o terceiro à metodologia, o quarto aos resultados e, o último, às conclusões. Os principais resultados da ACV foram em termos de impactos e danos ambientais de acordo com o método de avaliação Eco-Indicador 99. Os resultados mostraram que o uso de transformadores com boninas de alumínio gera menores impactos sobre o meio ambiente.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis presents a design methodology for the dual active bridge converter, that includes the influence of the nominal phase-shift angle in the behavior of the DAB converter for entire power and voltage ranges. The analysis presented focus on two important performance parameters of the DAB converter: the nonactive power and the limits of ZVS operation. The study of these two parameters results in a prior knowledge of the qualitative characteristics of the conduction and switching losses, respectively. Using this knowledge it is possible to optimize the converter operation considering the priorities of application performance. The experimental results were performed for three different projects nominal angles and three different input voltages for the whole load range, and they prove the feasibility of the proposed analysis. The analyse of the limit ZVS area took into account the switches intrinsic capacitances, and the dead time between the complementary switches. The DAB converter placed at a three-stage structure applied to solid state transformer, has voltage ripple at low frequency in their bus voltages because of the connection into the distribution network. Thus, it becomes possible to apply a low frequency burst mode modulation, without needing to oversize the bus capacitors. Three burst mode modulations are evaluated in simulation. The modulation which performed better results in simulation was implemented in practice, and the experimental results showed significant improvement in the converter´s efficiency when it is operating in light loads. Finally, a discussion of the parameters to be evaluated for the DAB converter´s design is proposed. / Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia de projeto do conversor DAB, a qual inclui a influência do ângulo nominal de defasagem no comportamento do conversor DAB para toda faixa de potência e de tensão. Além disso, as análises focam em dois importantes parâmetros de desempenho do conversor DAB: a potência não ativa e os limites de operação com ZVS. O estudo destes dois parâmetros resulta em um conhecimento prévio das características qualitativas das perdas de condução e comutação, respectivamente. Através deste conhecimento é possível otimizar a operação do conversor considerando as prioridades de desempenho da aplicação. Os resultados experimentais, que comprovam as análises referentes à potência não ativa e aos limites de operação com ZVS, são realizados para três diferentes projetos de ângulos nominais e três diferentes tensões de entrada, para toda faixa de operação de carga. O estudo dos pontos de perda de ZVS considerou as capacitâncias intrínsecas dos interruptores e o tempo morto entre os interruptores complementares. O conversor DAB funcionando em uma estrutura de três estágios, aplicado a transformadores de estado sólido, apresenta ondulação de tensão em baixa frequência em seus barramentos, provinente da conexão da estrutura na rede de distribuição. Deste modo, torna-se possível a aplicação de modulações de baixa frequência do tipo burst, sem a necessidade de sobredimensionamento dos capacitores. Três modulações são realizadas e avaliadas em simulação. A modulação que apresentou melhores resultados em simulação foi implementada na prática, e os resultados experimentais mostraram melhora significativa da eficiência do conversor em baixas cargas. Por fim, uma discussão sobre as considerações a serem avaliadas nos parâmetros de projeto do conversor DAB é proposta.

This dissertation presents the development of an algorithm for classifying electrical transients in power transformers for protection. Initially the main transient involving power transformers were analyzed, with a special focus on the magnetizing current that occur during energizing equipment, known as inrush currents. Among the studied transient, current inrush are those that present greater difficulty in identification and discrimination by the differential protection, due to its high peak magnitude. In a second moment, was developed a test system implemented in ATP / EMTP software for the simulation of different operating situations of the power transformer, current data being obtained from TCs for analysis. After known the problem and implement a test for acquisition system, we developed an algorithm based on the last samples of the detail coefficients, called Details Signals, from the decomposition of the data of differential phase current using the Discrete Wavelet Transform. The methodology has the objective improve the system for protection of the transformer, becoming one efficient alternative for the identification of transients. / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um algoritmo para classificação de transitórios elétricos em transformadores de potência, para fins de proteção. Inicialmente foram analisados os principais transitórios associados aos transformadores de potência, tendo um foco especial na corrente de magnetização que surge durante a energização do equipamento, conhecida como corrente de inrush. Dentre os transitórios estudados, as correntes de inrush são as que apresentam maior dificuldade de identificação e discriminação por parte da proteção diferencial, devido a sua alta magnitude de pico. Em um segundo momento, foi desenvolvido um sistema teste implementado no software ATP para a simulação das diversas situações de operação do transformador de potência, sendo obtidos dados de correntes a partir dos TCs para análise. Após conhecer o problema e implementar um sistema teste para a obtenção dos dados, desenvolveu-se um algoritmo baseado nas últimas amostras dos coeficientes de detalhes, chamada de Sinais de Detalhes, provenientes da decomposição dos dados de correntes diferenciais das fases por meio da Transformada Wavelet Discreta. A metodologia desenvolvida tem como objetivo melhorar o sistema de proteção do transformador, tornando-se uma alternativa eficiente para a identificação de transitórios.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leonardo Salas Maldonado.pdf: 8231425 bytes, checksum: b5b33a872944836efb47f1af38ff5d3c (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a state of the art synthesis about the characterization and losses in iron under the focus of Electrical Engineering; it is intended to understand and to generate aids to ferromagnetic materials characterization at low cost, applied in the evaluation of electromagnetic parameters and energetical e_ciency of electromagnetic devices, using a qualitative view of complex electromagnetic phenomena, helping in the comprehension and in the study of the electrical machines project. / Este trabalho apresenta uma síntese do estado da arte sobre as caracterizações e perdas no ferro sob o enfoque da Engenharia Elétrica; pretende-se compreender e gerar subsídios para a caracterização de materiais ferromagnéticos a baixo custo, aplicado na avaliação de parâmetros eletromagnéticos e de eficiência energética de dispositivos eletromagnéticos, através de uma visão qualitativa dos fenômenos eletromagnéticos complexos auxiliando na compreensão e estudo do projeto de máquinas elétricas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho propõe e implementa um software que realiza o cálculo de vários modelos de transformadores de instrumentação e orienta o usuário em como efetuar medições e correções importantes nos mesmos. O software engloba transformadores de baixa e média potência, até 500 W, e com frequências de até alguns megahertz. O software cobre 3 modelos: o clássico quadripolo de baixa potência e baixa frequência; o quadripolo T com capacitor de saída para baixa potência e média frequência; e o modelo delta-estrela completo, para transformadores eletrônicos de alta frequência. O trabalho teve como objetivo criar uma ferramenta para o projeto de transformadores, especialmente transformadores de saída de instrumentação biomédica, como por exemplo, o transformador de saída do bisturi eletrônico. O software indica o modelo de acordo com os dados de entrada ou por escolha do usuário. O software foi criado para uso gratuito e foi desenvolvido em código Java, de modo que qualquer pessoa interessada possa usá-lo. Por suas características, o software pode trabalhar em todos os computadores, desktops ou celulares, e em quase todos os sistemas operacionais, basta que o usuário tenha a máquina virtual Java instalada em seu hardware. O usuário deve inserir os coeficientes necessários para realizar os cálculos, obtendo os resultados numéricos e gráficos do módulo da impedância versus frequência e de fase versus frequência na tela ou em um arquivo de dados no formato CSV (comma-separated values). O módulo de saída gráfica apresenta o módulo e a fase da impedância de entrada (Zin) em função da frequência. Isto permite ao usuário ver as ressonâncias e comportamentos característicos do transformador e tomar providências para executar um projeto conforme suas necessidades. / This work describes a software that performs calculation and gives some tips about building and measuring transformers parameters up to 500 W till a few megahertz. The software emulates 3 models: the classical T model for low power and low frequency; the T model with output capacitance; and the complete delta-star model, for high frequency electronic transformers. This work aimed to create a tool for design of transformers, especially biomedical instrumentation output transformers, like the output electrosurgical device transformer. Tips like, for example, how to wrap the secondary coil to minimize intrinsic capacitance are presented to the software user. The software indicates the model according to input data or by user choice. The software is for free use and is programmed in Java language, so that, any person interested can use it. It will be available on the internet for free download. This software can work on all computers, desktops or mobiles, and on almost all operating systems, as long as the user has the virtual machine in his hardware. The user must insert the coefficients required to perform the calculations. After this insertion he must click on the calculation button, so the results and the impedance (modulus and phase) versus frequency graphs are seen on the screen. The user can additionally export an XY CSV (comma-separated values) data file. The software graphical output modulus and phase parts shows behavior of the input impedance (Zin) versus frequency. This makes possible for the user see the resonances and characteristic behavior of the transformer.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Este trabalho propõe e implementa um software que realiza o cálculo de vários modelos de transformadores de instrumentação e orienta o usuário em como efetuar medições e correções importantes nos mesmos. O software engloba transformadores de baixa e média potência, até 500 W, e com frequências de até alguns megahertz. O software cobre 3 modelos: o clássico quadripolo de baixa potência e baixa frequência; o quadripolo T com capacitor de saída para baixa potência e média frequência; e o modelo delta-estrela completo, para transformadores eletrônicos de alta frequência. O trabalho teve como objetivo criar uma ferramenta para o projeto de transformadores, especialmente transformadores de saída de instrumentação biomédica, como por exemplo, o transformador de saída do bisturi eletrônico. O software indica o modelo de acordo com os dados de entrada ou por escolha do usuário. O software foi criado para uso gratuito e foi desenvolvido em código Java, de modo que qualquer pessoa interessada possa usá-lo. Por suas características, o software pode trabalhar em todos os computadores, desktops ou celulares, e em quase todos os sistemas operacionais, basta que o usuário tenha a máquina virtual Java instalada em seu hardware. O usuário deve inserir os coeficientes necessários para realizar os cálculos, obtendo os resultados numéricos e gráficos do módulo da impedância versus frequência e de fase versus frequência na tela ou em um arquivo de dados no formato CSV (comma-separated values). O módulo de saída gráfica apresenta o módulo e a fase da impedância de entrada (Zin) em função da frequência. Isto permite ao usuário ver as ressonâncias e comportamentos característicos do transformador e tomar providências para executar um projeto conforme suas necessidades. / This work describes a software that performs calculation and gives some tips about building and measuring transformers parameters up to 500 W till a few megahertz. The software emulates 3 models: the classical T model for low power and low frequency; the T model with output capacitance; and the complete delta-star model, for high frequency electronic transformers. This work aimed to create a tool for design of transformers, especially biomedical instrumentation output transformers, like the output electrosurgical device transformer. Tips like, for example, how to wrap the secondary coil to minimize intrinsic capacitance are presented to the software user. The software indicates the model according to input data or by user choice. The software is for free use and is programmed in Java language, so that, any person interested can use it. It will be available on the internet for free download. This software can work on all computers, desktops or mobiles, and on almost all operating systems, as long as the user has the virtual machine in his hardware. The user must insert the coefficients required to perform the calculations. After this insertion he must click on the calculation button, so the results and the impedance (modulus and phase) versus frequency graphs are seen on the screen. The user can additionally export an XY CSV (comma-separated values) data file. The software graphical output modulus and phase parts shows behavior of the input impedance (Zin) versus frequency. This makes possible for the user see the resonances and characteristic behavior of the transformer.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis aims to study the changes that may occur in transformer parameters when any type of deformation is caused in its windings. To verify such effects, it will be analyzed possible variations in electrical, magnetic and mechanical parameters, which may indicate a lifetime decay of such equipment. To conduct this work, it will be used two computational tools for transformer modeling: ATP (Alternative Transient Program) and FLUX 3D which employs the finite element method. Some deformations are then applied in the transformer windings in order to verify the aforementioned parameters. Therefore, with such studies and techniques able to detect mechanical deformations in transformer windings, a computer methodology is developed for carrying out a diagnosis before such kind of failure removes the transformer from operation. / Esta tese tem como objetivo estudar as alterações que possam ocorrer nos parâmetros de transformador quando algum tipo de deformação incidir em seus enrolamentos. Para a verificação de tais efeitos, optou-se por analisar possíveis variações em parâmetros elétricos, magnéticos e mecânicos as quais podem indicar um decaimento na vida útil de tal equipamento. Para o desenvolvimento de tal estudo optou-se por utilizar duas ferramentas computacionais para modelar o transformador: o software ATP (Alternative Transient Program) e o programa FLUX em sua versão 3D, o qual emprega o método de elementos finitos. Deformações serão aplicadas nos modelos e análises realizadas para a verificação dos parâmetros supracitados. De posse de tais análises e de técnicas já utilizadas para a detecção de deformações mecânicas nos enrolamentos de transformadores, será apresentada uma metodologia computacional para a realização de tal diagnóstico, antes que este tipo de falha possa retirar o transformador de operação. / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In recent years, the growth of the electrical system associated with non ideal conditions can compromise the normal operation devices. This fact is becoming extremely important, as much the consumers as for the electric utilities. In this way, the electrical agencies are more concerned about, for example, the distribution voltage levels. With this in mind, the voltage regulation device has been one of the more used equipment with the purpose of voltage levels correction or adequacy, either agricultural or urban site. This equipment, in its usual structure, is composed by an autotransformer with a tap automatic mechanism that presents a high time delay and does not apply to the shortduration voltage variations requirements, imposed by electrical standards. Aiming at adjusting the voltage regulator to the distribution requirements, that is, to minimize its time delay to any voltage variation, transitory studies of tap commutation must be elaborated. This work aims at modelling a single-phase 32 step voltage regulator in a computational simulator called ATP (EMTP). This modelling is based on the core magnetic characteristics and it is constituted of linear and non linear inductances representing the flux through the air and through the steel core. By considering the laboratory difficulties to make measurements in a voltage medium equipment (13.8 kV), a typical voltage regulator prototype was constructed (220 V) and a laboratory arrangement was used to validate the corresponding modelling. / O grande crescimento do setor elétrico associado ao fato de a qualidade da energia elétrica fornecida estar se tornando um fator de extrema importância, tanto para os consumidores como para as empresas concessionárias de energia, fez com que os órgãos regulamentadores do setor passassem a se preocupar mais com, por exemplo, os níveis de tensão de uma rede de distribuição. Sob esse ponto de vista, o regulador de tensão tem sido um dos equipamentos mais utilizados no sentido de correção, ou adequação dos níveis de tensão de uma rede de distribuição, seja ela rural ou urbana. Esse equipamento, na sua forma mais usual, é constituído de um autotransformador com um mecanismo automático comutador de tap´s que, por ser mecânico, é lento e não atende às exigências das variações de tensão de curta duração (VTCD) impostas pelas normas vigentes. Visando adequar o regulador de tensão às exigências do mercado, ou seja, minimizar o seu tempo de resposta a qualquer variação de tensão, estudos sobre situações transitórias de comutação de tap´s devem ser elaboradas. Neste sentido, surge esta dissertação, com o objetivo de desenvolver uma modelagem para representar um regulador de tensão monofásico com 32 degraus no programa ATP (EMTP). A modelagem é baseada nas características do circuito magnético do núcleo e é constituída de indutores lineares representando o fluxo através do ar e indutores não lineares representando o fluxo através do núcleo de ferro. Tendo-se em vista as dificuldades laboratoriais para fazer medições em um equipamento de média tensão (13,8 kV), foi construído um modelo reduzido do regulador de tensão, semelhante ao regulador comercial típico, em baixa tensão (220 V). Ensaios laboratoriais foram realizados com o intuito de validar o modelo computacional em baixa tensão. / Mestre em Ciências