O Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo do Subsolo MATÆOS foi desenvolvido na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) com a função de acionar diretamente uma bomba de sucção, instalada no fundo de um poço de petróleo em terra. Dando continuidade aos trabalhos realizados na EPUSP envolvendo sistemas de levitação magnética, foi desenvolvido um mancal magnético ativo (AMB - Active Magnetic Bearing), aplicado ao protótipo do motor em substituição ao mancal mecânico tradicional existente. O projeto abrange a construção de um protótipo de mancal magnético composto das partes mecânicas, elétricas e de software necessárias ao funcionamento do sistema. O projeto do eletroímã foi realizado por meio do método dos elementos finitos (MEF), para análise da densidade de fluxo e da relação entre a força radial e a corrente elétrica nas bobinas. O controle da levitação do mancal é realizado por meio de controlador digital com placas conversoras AD/DA e algoritmo de controle implementado em hardware FPGA. Utilizando o modelo do sistema, os controladores são sintonizados para atender aos requisitos de estabilidade e rejeição de perturbações, que desviem o entreferro do seu valor nominal. Na configuração do AMB, ao invés do sistema tradicional com oito pólos, um conceito diferente é adotado. Neste, uma máquina primitiva bearingless é excitada com corrente contínua e usada como mancal magnético. Os resultados experimentais obtidos com o protótipo em funcionamento mostram que o sistema em malha fechada é estável e apresenta uma resposta transitória satisfatória. / A tubular linear induction motor applied to onshore oil exploitation, named MATÆOS (which is in the Portuguese acronym for Tubular Asynchronous Motor for Onshore Oil Exploitation) was built at Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Its purpose is to directly drive the sucker-rod pump installed in the down hole of the oil well. In continuing the research accomplished at EPUSP concerning magnetic levitation systems, an Active Magnetic Bearing (AMB) was developed and applied to the prototype of the motor in substitution to the existing traditional bearing. The design includes the construction of the magnetic bearing prototype composed of mechanical, electric and software components required to the operation of the system. The electromagnet design was accomplished using the Finite Element Method (FEM) in the analysis of both the flux density and the relationship between the radial force and the suspension winding current. The magnetic bearing levitation control is executed by a digital controller using an AD/DA converter and a control algorithm implemented in FPGA hardware. Using the system model, the controllers are tuned to provide both stability and rejection of disturbances that tend to move the air gap from its nominal value. Instead of the usual eight-pole AMB, a different concept is adopted where a DC-excited primitive bearingless machine is used as a magnetic bearing. The experimental results obtained with the prototype in operation show that the closed-loop system is stable and exhibits a satisfactory transient response.

O Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo do Subsolo MATÆOS foi desenvolvido na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) com a função de acionar diretamente uma bomba de sucção, instalada no fundo de um poço de petróleo em terra. Dando continuidade aos trabalhos realizados na EPUSP envolvendo sistemas de levitação magnética, foi desenvolvido um mancal magnético ativo (AMB - Active Magnetic Bearing), aplicado ao protótipo do motor em substituição ao mancal mecânico tradicional existente. O projeto abrange a construção de um protótipo de mancal magnético composto das partes mecânicas, elétricas e de software necessárias ao funcionamento do sistema. O projeto do eletroímã foi realizado por meio do método dos elementos finitos (MEF), para análise da densidade de fluxo e da relação entre a força radial e a corrente elétrica nas bobinas. O controle da levitação do mancal é realizado por meio de controlador digital com placas conversoras AD/DA e algoritmo de controle implementado em hardware FPGA. Utilizando o modelo do sistema, os controladores são sintonizados para atender aos requisitos de estabilidade e rejeição de perturbações, que desviem o entreferro do seu valor nominal. Na configuração do AMB, ao invés do sistema tradicional com oito pólos, um conceito diferente é adotado. Neste, uma máquina primitiva bearingless é excitada com corrente contínua e usada como mancal magnético. Os resultados experimentais obtidos com o protótipo em funcionamento mostram que o sistema em malha fechada é estável e apresenta uma resposta transitória satisfatória. / A tubular linear induction motor applied to onshore oil exploitation, named MATÆOS (which is in the Portuguese acronym for Tubular Asynchronous Motor for Onshore Oil Exploitation) was built at Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Its purpose is to directly drive the sucker-rod pump installed in the down hole of the oil well. In continuing the research accomplished at EPUSP concerning magnetic levitation systems, an Active Magnetic Bearing (AMB) was developed and applied to the prototype of the motor in substitution to the existing traditional bearing. The design includes the construction of the magnetic bearing prototype composed of mechanical, electric and software components required to the operation of the system. The electromagnet design was accomplished using the Finite Element Method (FEM) in the analysis of both the flux density and the relationship between the radial force and the suspension winding current. The magnetic bearing levitation control is executed by a digital controller using an AD/DA converter and a control algorithm implemented in FPGA hardware. Using the system model, the controllers are tuned to provide both stability and rejection of disturbances that tend to move the air gap from its nominal value. Instead of the usual eight-pole AMB, a different concept is adopted where a DC-excited primitive bearingless machine is used as a magnetic bearing. The experimental results obtained with the prototype in operation show that the closed-loop system is stable and exhibits a satisfactory transient response.

Para aplicações de extração de petróleo de poços em terra foi desenvolvido pelo Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (LMAG) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo um protótipo de motor de indução linear tubular (MILT), onde o movimento axial do secundário do motor aciona diretamente a bomba de extração situada no fundo do poço. Numa segunda etapa, foi prevista a substituição dos mancais mecânicos por dois mancais magnéticos ativos (AMBs), que permitem melhor movimentação e praticamente nenhum atrito, reduzindo o desgaste causado por impurezas contidas no petróleo extraído, e consequentemente os esforços de manutenção. Todavia, o protótipo atual possui apenas um mancal magnético, e o outro é mecânico. O presente trabalho apresenta a instalação do segundo mancal magnético ao protótipo do MILT, e propõe realizar o controle do sistema de mancais magnéticos para o MILT, tendo em vista um problema multivariável, onde as posições do secundário do motor em relação aos dois mancais são correlacionadas, bem como as ações de controle sobre os mesmos. O trabalho faz uma revisão do sistema atual com um AMB, abordando sua concepção física, modelagem e o controlador, e tal controlador é replicado para o segundo AMB. Um novo modelo é apresentado, considerando o comportamento multivariável dos dois AMBs, e um sistema de controle robusto multivariável é projetado, através da técnica LQG/LTR. Resultados de simulação do novo controlador são analisados e comparados com os resultados experimentais do controlador atual aplicado aos dois AMBs, e apresentam-se as conclusões. / For onshore oil extraction applications, a tubular linear induction motor (TLIM) prototype was developed by Applied Electromagnetism Laboratory (LMAG) of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, on which the axial movement of the motor secondary drives the suction pump, placed in the down hole of the oil well. In a second step, it was planned to replace the mechanical bearings by two Active Magnetic Bearings (AMB), in order to have better movement and practically no friction, reducing damages caused by impurities in the oil, thus reducing maintenance effort. Nevertheless, the actual prototype has only one AMB, being the other one a mechanical bearing. This paper presents the installation of the second AMB onto TLIM prototype, and a proposal to implement the control algorithm for the TLIM magnetic bearing system, considering now a multivariable problem, where the position of the motor secondary for both AMB are related, as well as control efforts. The present work review the actual system with only one AMB, approaching its physical construction, mathematical model and applied control system; and this control system is applied to the second AMB. A new model is presented, considering the AMB system multivariable behavior, and a multivariable robust control system is then designed, using LQG/LTR approach. Simulation results for the new controller are analyzed and compared to experimental results from the actual controller applied to both AMB, and some conclusions are presented.

Para aplicações de extração de petróleo de poços em terra foi desenvolvido pelo Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (LMAG) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo um protótipo de motor de indução linear tubular (MILT), onde o movimento axial do secundário do motor aciona diretamente a bomba de extração situada no fundo do poço. Numa segunda etapa, foi prevista a substituição dos mancais mecânicos por dois mancais magnéticos ativos (AMBs), que permitem melhor movimentação e praticamente nenhum atrito, reduzindo o desgaste causado por impurezas contidas no petróleo extraído, e consequentemente os esforços de manutenção. Todavia, o protótipo atual possui apenas um mancal magnético, e o outro é mecânico. O presente trabalho apresenta a instalação do segundo mancal magnético ao protótipo do MILT, e propõe realizar o controle do sistema de mancais magnéticos para o MILT, tendo em vista um problema multivariável, onde as posições do secundário do motor em relação aos dois mancais são correlacionadas, bem como as ações de controle sobre os mesmos. O trabalho faz uma revisão do sistema atual com um AMB, abordando sua concepção física, modelagem e o controlador, e tal controlador é replicado para o segundo AMB. Um novo modelo é apresentado, considerando o comportamento multivariável dos dois AMBs, e um sistema de controle robusto multivariável é projetado, através da técnica LQG/LTR. Resultados de simulação do novo controlador são analisados e comparados com os resultados experimentais do controlador atual aplicado aos dois AMBs, e apresentam-se as conclusões. / For onshore oil extraction applications, a tubular linear induction motor (TLIM) prototype was developed by Applied Electromagnetism Laboratory (LMAG) of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, on which the axial movement of the motor secondary drives the suction pump, placed in the down hole of the oil well. In a second step, it was planned to replace the mechanical bearings by two Active Magnetic Bearings (AMB), in order to have better movement and practically no friction, reducing damages caused by impurities in the oil, thus reducing maintenance effort. Nevertheless, the actual prototype has only one AMB, being the other one a mechanical bearing. This paper presents the installation of the second AMB onto TLIM prototype, and a proposal to implement the control algorithm for the TLIM magnetic bearing system, considering now a multivariable problem, where the position of the motor secondary for both AMB are related, as well as control efforts. The present work review the actual system with only one AMB, approaching its physical construction, mathematical model and applied control system; and this control system is applied to the second AMB. A new model is presented, considering the AMB system multivariable behavior, and a multivariable robust control system is then designed, using LQG/LTR approach. Simulation results for the new controller are analyzed and compared to experimental results from the actual controller applied to both AMB, and some conclusions are presented.