The switched reluctance generator emerged as an alternative generator and grew in interest among the scientific community during the last decade. It has a simple construction and comes up as a competitive option when one deals with variable speed applications and also when power electronics is required. Nowadays the most aimed applications are the aircraft applications, hybrid or electric vehicles and wind power. This machine has a doubly salient structure without copper in the rotor. The coils are concentrated in the stator poles. Thus, there is low copper and iron consumption and, because of it, this machine is closer to the modern environmental requirements. The switched reluctance generator driving uses power electronics and needs continuous information about the rotor position to drive properly the switches of the phases. The optimal design for this machine is still been established from the experimental results. Many operational details are under investigation. The machine has two different electrical circuits: one for the excitation and other when the load is fed. It is possible to insulate those two circuits and because of this it is also possible to reduce the electronic switches count. This work is helpful to understand how the SRG works. To get it the goals were to build a mathematical model for this machine and to simulate its operation. And than to know how it dynamically conducts. A prototype was constructed and used to test some driving circuits with it. Also it is presented an extensive comparative study. With this all this work presents a contribution for the development of this kind of machinery. / O gerador a relutância chaveado despertou interesse crescente na comunidade científica na última década. Esta máquina elétrica caracteriza-se por sua simplicidade construtiva e tem sido apresentada como uma alternativa competitiva quando é requerida eletrônica de potência, como ocorre nas aplicações em que a velocidade é continuamente variável. As aplicações mais visadas atualmente estão relacionadas à aeronáutica, aos veículos elétricos ou híbridos e à energia eólica. A máquina tem estrutura em dupla saliência, não tem enrolamentos no rotor e as bobinas do estator estão concentradas. Por isto consome menos cobre e aço e é vista como uma máquina elétrica mais próxima dos requisitos ambientais modernos. Seu acionamento necessita de eletrônica de potência e de informação contínua da posição do rotor, para estabelecer os instantes de energização das fases, para gerar energia elétrica. A técnica de projeto de geradores a relutância chaveados está se consolidando a partir de resultados experimentais. Mas vários aspectos operacionais estão sob investigação. O circuito elétrico do gerador a relutância chaveado tem duas malhas elétricas, uma durante a excitação e outra durante a geração. Seu acionamento pode utilizar conversores com contagem reduzida de chaves semicondutoras. O presente trabalho ajuda a compreender o funcionamento do gerador a relutância chaveado e a sua modelagem matemática. Simulações são apresentadas para detalhar a dinâmica das suas partes. Um protótipo foi construído e usado para ajustar os circuitos de acionamento e realizar estudos experimentais, e com isto contribuir para o desenvolvimento desse tipo de máquina elétrica. / Doutor em Ciências

A máquina a relutância chaveada ganhou considerável atenção da comunidade científica com o desenvolvimento da eletrônica de potência e é considerada hoje uma máquina elétrica promissora para algumas aplicações, principalmente aquelas onde há a necessidade de operação em velocidade variável seja como motor ou como gerador. Sendo assim, este trabalho apresenta a dinâmica de funcionamento de uma máquina a relutância chaveada, com uma estrutura 6 x 4, ou seja contendo seis pólos no estator e quatro pólos no rotor, operando no modo gerador. A dinâmica de funcionamento é apresentada e comparada através de resultados experimentais e resultados simulados em ambiente Matlab/Simulink. Os resultados experimentais foram possíveis devido a construção de um protótipo da máquina e da montagem de uma bancada de testes. O projeto desenvolvido para construção do protótipo e da bancada de testes é apresentado neste trabalho. / Switched reluctance machines have received considerable attention from the scientific community due to advances in power electronics, and now is considered a promising electric machine for some applications, especially where variable speed operations are needed for motor or generator. Therefore, this work presents the dynamics of a switched reluctance machine, operating as a generator, with 6 x 4 structure, i.e., six stator poles and four poles in the rotor. Experimental results, which were obtained from a machine prototype installed on a test bench, were compared with Matlab/Simulink computational simulations. The designing aspects for the prototype construction are also discussed in this work.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Esta tese propõe projetos de controle H_infinito e controle H_infinito chaveado para uma classe de sistemas lineares com incertezas invariantes no tempo, nos quais apenas a derivada do vetor de estado é considerada para realimentação. Neste cenário, as estratégias propostas utilizam dinâmicas auxiliares, cujas variáveis de estado estão disponíveis para realimentação, para controlar a planta original. São propostas estruturas e procedimentos de projeto por meio de desigualdades matriciais lineares. A primeira estrutura de controle apresentada, considera a saturação do atuador e um integrador para definir a estratégia de controle, e se as condições propostas são factíveis, assegura que o ponto de equilíbrio do sistema de malha fechada seja localmente assintoticamente estável, para todas as condições iniciais em uma região elipsoidal, contida em uma determinada região definida para a nova dinâmica. Na segunda estrutura, é proposta uma técnica sem o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas com e sem saturação da entrada de controle. Na terceira estrutura, considera-se um caso mais geral porém com o uso de integradores para definir as estratégias para o controle chaveado e controle H_infinito chaveado, para plantas sem saturação da entrada de controle. Embora todos os projetos propostos considerem a dinâmica auxiliar, são asseguradas as propriedades de estabilidade, taxa de decaimento e custo garantido pa... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes H_infinite switched control designs for a class of linear systems with time invariant uncertainties, where only the derivative of the state vector is considered for feedback. In this scenario, the proposed strategies use auxiliary dynamics, whose state variables is accessible for feedback, to control the original plant. The proposed structures and design procedures are based on LinearMatrix Inequalities (LMIs). The first structure considers the actuator saturation and an integrator to define the control strategy, and if the proposed conditions are feasible, it assures that the equilibrium point of the closed-loop system is locally asymptotically stable, for all initial conditions in an ellipsoidal region, which is within a given region defined for this new dynamic. In the second structure, we adopted a technique without the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants with and without control input saturation. In the third structure, we study a more general case, however, with the use of integrators to define the strategies for the switched control and H_infinite switched control, for plants without control input saturation. Although all proposed designs consider the auxiliary dynamics, it is assured the stability, decay rate proprieties, and H_infinite guaranteed cost for the original plant. Simulation examples and practical implementation illustrate the effectiveness of the proposed app... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

A finalidade deste trabalho é desenvolver uma contribuição ao projeto de geradores e motores de relutância chaveados. A primeira etapa do projeto consiste no dimensionamento inicial da máquina através de métodos analíticos convencionais [01]para, em seguida, desenvolver o seu refinamento usando o Método dos Elementos Finitos acoplado com as equações de circuitos elétricos. Inicialmente, é apresentada uma abordagem atualizada dos aspectos construtivos e operacionais deste equipamento, comuns aos dois modos de funcionamento, bem como dos aspectos relevantes da metodologia computacional utilizada. Apresentam-se, em seguida, os resultados das simulações conduzidas para a obtenção das características de torque estático, do fluxo concatenado e das indutâncias, em função da posição angular do rotor e da corrente, as suas implicações no projeto e a sua utilização para a definição das condições operacionais dinâmicas a serem simuladas. Em seguida, são apresentados os resultados das simulações em regime permanente e em transitórios operacionais da máquina elétrica funcionando de uma forma integrada com o seu conversor eletrônico dedicado. No fechamento deste trabalho, estes resultados são discutidos e comparados com alguns ensaios realizados. Apresenta-se também os possíveis desdobramentos para a continuidade do projeto deste tipo de equipamento. O enfoque essencial deste trabalho é a máquina elétrica e os seus resultados propiciam também uma orientação para a definição dos requisitos de projeto do conversor eletrônico e do sistema de controle. / This work aims to provide a contribution to the project of switched reluctance generators and motors. The first stage of the project consists of initial dimensioning of the machine through conventional analytical methods[1] followed by its refinement by using the Finite-element Method coupled with circuit equations. An updated approach on the constructive and operational aspects common to both the ways of the equipment, as well as relevant aspects of the computational methodology used are initially presented. Results of simulations carried out to obtain torque characteristics, flux-linkage and inductance, as a function of angular position of rotor and current, their implications in the project and their use to define dynamic operational condition to be simulated are then showed. Sequentially, results of the steady-state and transients operational simulations of the electric machine working in an integrated way with its dedicated electronic converter are presented. In the closing of this work, these results are discussed and compared to some of the tests performed. Related subjects for continuation of the project of this type of equipment are also presented. The main focus of this work is the electric machine and its results also provide an orientation to the definition of requirements to the project of electronic converter and control system.

A finalidade deste trabalho é desenvolver uma contribuição ao projeto de geradores e motores de relutância chaveados. A primeira etapa do projeto consiste no dimensionamento inicial da máquina através de métodos analíticos convencionais [01]para, em seguida, desenvolver o seu refinamento usando o Método dos Elementos Finitos acoplado com as equações de circuitos elétricos. Inicialmente, é apresentada uma abordagem atualizada dos aspectos construtivos e operacionais deste equipamento, comuns aos dois modos de funcionamento, bem como dos aspectos relevantes da metodologia computacional utilizada. Apresentam-se, em seguida, os resultados das simulações conduzidas para a obtenção das características de torque estático, do fluxo concatenado e das indutâncias, em função da posição angular do rotor e da corrente, as suas implicações no projeto e a sua utilização para a definição das condições operacionais dinâmicas a serem simuladas. Em seguida, são apresentados os resultados das simulações em regime permanente e em transitórios operacionais da máquina elétrica funcionando de uma forma integrada com o seu conversor eletrônico dedicado. No fechamento deste trabalho, estes resultados são discutidos e comparados com alguns ensaios realizados. Apresenta-se também os possíveis desdobramentos para a continuidade do projeto deste tipo de equipamento. O enfoque essencial deste trabalho é a máquina elétrica e os seus resultados propiciam também uma orientação para a definição dos requisitos de projeto do conversor eletrônico e do sistema de controle. / This work aims to provide a contribution to the project of switched reluctance generators and motors. The first stage of the project consists of initial dimensioning of the machine through conventional analytical methods[1] followed by its refinement by using the Finite-element Method coupled with circuit equations. An updated approach on the constructive and operational aspects common to both the ways of the equipment, as well as relevant aspects of the computational methodology used are initially presented. Results of simulations carried out to obtain torque characteristics, flux-linkage and inductance, as a function of angular position of rotor and current, their implications in the project and their use to define dynamic operational condition to be simulated are then showed. Sequentially, results of the steady-state and transients operational simulations of the electric machine working in an integrated way with its dedicated electronic converter are presented. In the closing of this work, these results are discussed and compared to some of the tests performed. Related subjects for continuation of the project of this type of equipment are also presented. The main focus of this work is the electric machine and its results also provide an orientation to the definition of requirements to the project of electronic converter and control system.

Este trabalho se insere num contexto de desenvolvimento da capacitação para aplicações de motores de relutância chaveados, com ênfase aos aspectos eletromagnéticos do acionamento. Inicialmente, são apresentados os principais aspectos construtivos do motor e de funcionamento do seu conversor. São discutidos os fluxos de energia do acionamento e sao apresentadas as suas características operacionais, bem como as possibilidades para o seu controle. Foi desenvolvida uma metodologia de projeto embasada numa formulação empírica e no método dos elementos finitos, implementado através do programa flux2d. Desta forma, foi projetado um protótipo para desenvolver meio newton-metro a três mil rotações por minuto. A formulação empírica baseia-se na adoção de diversas hipóteses simplificadoras do circuito ferromagnético. O método dos elementos finitos foi empregado com a finalidade da obtenção de um refinamento do dimensionamento do motor. O protótipo projetado foi fabricado e testado. Os objetivos dos ensaios foram a confrontação com os diversos valores calculados no projeto e a verificação do seu desempenho em diversas condições de carga. Finalizando o trabalho, os resultados obtidos são analisados, ressaltando-se os aspectos relevantes ocorridos durante o seu desenvolvimento. São também apresentadas, as atividades subsequêntes previstas. / This work is related to the development activities of switched reluctance motors, mainly on their electromagnetic characteristics. The motor\'s basic construction features and the converter\'s operation characteristics are showed, as well as, the energy flows, performance aspects and the effects of the control parameters. The principal elements of motor desigm are discussed. A method of design is developed based on empirical formulas and on finite elements method (using the software FLUX2D). Thus, a prototype was designed with ratings of 0,5 Nm at 3000 rpm. The empirical formulas are developed on a simplified model of the motor and taking into account the referred author\'s experience. The finite elements method was used with the aim of getting a design refinement, as well as, the static torque characteristics, inductances and flux as a function of rotor position and current. The prototype was built and tested. The tests were conducted to compare the actual with the designed parameters and to evaluate the performance characteristics. Finally, the results are analysed and the main facts observed during the development of the work are reported. The next planned activities are also showed.

Este trabalho se insere num contexto de desenvolvimento da capacitação para aplicações de motores de relutância chaveados, com ênfase aos aspectos eletromagnéticos do acionamento. Inicialmente, são apresentados os principais aspectos construtivos do motor e de funcionamento do seu conversor. São discutidos os fluxos de energia do acionamento e sao apresentadas as suas características operacionais, bem como as possibilidades para o seu controle. Foi desenvolvida uma metodologia de projeto embasada numa formulação empírica e no método dos elementos finitos, implementado através do programa flux2d. Desta forma, foi projetado um protótipo para desenvolver meio newton-metro a três mil rotações por minuto. A formulação empírica baseia-se na adoção de diversas hipóteses simplificadoras do circuito ferromagnético. O método dos elementos finitos foi empregado com a finalidade da obtenção de um refinamento do dimensionamento do motor. O protótipo projetado foi fabricado e testado. Os objetivos dos ensaios foram a confrontação com os diversos valores calculados no projeto e a verificação do seu desempenho em diversas condições de carga. Finalizando o trabalho, os resultados obtidos são analisados, ressaltando-se os aspectos relevantes ocorridos durante o seu desenvolvimento. São também apresentadas, as atividades subsequêntes previstas. / This work is related to the development activities of switched reluctance motors, mainly on their electromagnetic characteristics. The motor\'s basic construction features and the converter\'s operation characteristics are showed, as well as, the energy flows, performance aspects and the effects of the control parameters. The principal elements of motor desigm are discussed. A method of design is developed based on empirical formulas and on finite elements method (using the software FLUX2D). Thus, a prototype was designed with ratings of 0,5 Nm at 3000 rpm. The empirical formulas are developed on a simplified model of the motor and taking into account the referred author\'s experience. The finite elements method was used with the aim of getting a design refinement, as well as, the static torque characteristics, inductances and flux as a function of rotor position and current. The prototype was built and tested. The tests were conducted to compare the actual with the designed parameters and to evaluate the performance characteristics. Finally, the results are analysed and the main facts observed during the development of the work are reported. The next planned activities are also showed.

Submitted by UILIAM NELSON LENDZION TOMAZ ALVES null (uiliamlendzionalves@gmail.com) on 2018-01-10T10:33:36Z No. of bitstreams: 1 FINAL_tese_Uiliam_final_09_01_2018.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-10T10:44:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_unlt_dr_ilha.pdf: 2789913 bytes, checksum: 5ec4b9950f95b6ed998d4af0a8f6d330 (MD5) Previous issue date: 2017-12-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manifesta pelo chaveamento em frequência infinitamente rápida dos ganhos de realimentação. Visando a eliminação do chattering no controle chaveado, propõe-se uma nova técnica de suavização do controle chaveado, o controle chaveado suave. Esta nova lei de controle pode ser utilizada nas mesmas condições do controle chaveado e é baseada no conceito do mínimo suave, definido neste trabalho. Além disso, são propostos procedimentos de projeto que consideram distúrbios para ambas as leis de controle chaveada e chaveada suave. Ademais, neste trabalho também se apresenta uma implementação da lei de controle chaveada em um sistema Ball Balancer fabricado pela Quanser. / The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequency of the feedback gains switching. In order to avoid the chattering in the switched control, this work proposes a new technique to smooth the switched control, the smooth switched control. This new control law can be used under the same conditions as the switched control and it is based on the concept of smooth minimum, which is defined in this work. In addition, design procedures considering disturbances for both switched and smooth switched control laws are proposed. Furthermore, in this work it is also presented an implementation of the proposed switched control law in a Ball Balancer system manufactured by Quanser.

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: Esta tese propõe projetos de controle H∞ chaveado para uma classe de sistemas não lineares incertos descritos por modelos fuzzy Takagi-Sugeno (T-S) com funções de pertinência desconhecidas. Os projetos de controle necessitam somente dos limites inferiores e superiores das não linearidades do sistema, que podem depender de parâmetros incertos da planta. Em diversas aplicações práticas, em virtude das restrições operacionais dos equipamentos, no projeto de controle é necessário considerar que a lei de controle está sujeita à saturação do atuador. Primeiramente, utilizando uma metodologia encontrada na literatura para resolver o problema da saturação do atuador, propõe-se uma lei de controle chaveada que escolhe um ganho do controlador de realimentação do vetor de estado, que pertence a um conjunto de ganhos conhecidos, que minimiza a derivada da função de Lyapunov do tipo quadrática. Este procedimento elimina a necessidade de encontrar as expressões das funções de pertinência para implementar a lei de controle, garante um desempenho H∞ ao sistema realimentado e assegura que as trajetórias do vetor de estado permanecem dentro de uma região de operação na qual o modelo fuzzy T-S é válido. Adicionalmente, adota-se uma outra metodologia para resolver o problema da saturação do atuador, que utiliza o sinal de controle para compor um vetor de estado expandido. Desta forma, os limites do sinal de controle fazem parte da região de operação na qual o sistema não linear incerto é exatame... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes local H∞ switched control designs for a class of uncertain nonlinear plants described by Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy models with unknown membership functions. The control designs require only the lower and upper bounds of the system nonlinearities and of the system linear parameters, which can depend on uncertain parameters. In practical applications, due to the operational restrictions of the equipments, in the control design, it is necessary to consider that the control law is subject to actuator saturation. First, using a methodology found in the literature to solve the actuator saturation problem, one proposes a switched control law that chooses a state-feedback controller gain, which belongs to a given set of gains, that minimizes the time derivative of a quadratic Lyapunov function. This procedure eliminates the necessity of finding the membership function expressions to implement the control law, guarantees an H∞ performance and ensures that the state trajectory remains within a region in which the T-S fuzzy model is valid. In addition, the actuator saturation problem is approached with another methodology, using the control signal to compose an extended state vector. Then, the region in which the uncertain nonlinear system is exactly represented via T-S fuzzy models is composed by the bounds of the control signal. A switched control law, which chooses an extended state-feedback controller gain, is proposed. The design conditions avoid the presence o... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira / Resumo: O controle chaveado pode ser eficientemente utilizado no controle de sistemas fuzzy TakagiSugeno (T-S) incertos, que possuam funções de pertinência incertas e modelos locais conhecidos. Como estes sistemas fuzzy podem representar exatamente uma classe de sistemas não lineares incertos em uma região do espaço de estados, é interessante utilizá-los para descrever sistemas não lineares, usando no projeto do controlador o modelo fuzzy que descreve exatamente o sistema não linear. Porém, como a representação através de combinação convexa obtida é válida apenas em uma região do espaço de estados, garantias de que o estado do sistema permaneça nessa região devem ser obtidas. Neste trabalho são propostas condições que garantem a estabilização local, com a especificação da taxa decaimento, de uma classe de sistemas não lineares contínuos no tempo, incertos e com saturação no atuador, utilizando o controle chaveado. Os projetos dos controladores são realizados com base no modelo fuzzy T-S que representa exatamente o sistema não linear e os procedimentos de projeto fornecem uma região na qual as condições iniciais devam estar, tal que, o sistema não linear seja exatamente descrito pelo modelo fuzzy T-S incerto durante toda a trajetória de estado do sistema e ainda que esta trajetória permaneça dentro de uma região de operação previamente especificada. Em geral, o controle chaveado não possui restrição na frequência de chaveamento dos ganhos, o que pode levar ao chattering, que se manife... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The switched control can be efficiently used for controlling uncertain Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems, which have uncertain membership functions and known local models. Because these fuzzy systems can exactly represent a class of uncertain nonlinear systems in a given operation region in the state space, it is interesting to use them to describe nonlinear systems, performing the controller design based on a T-S fuzzy model that exactly describes the nonlinear system. However, the perfect representation of the uncertain nonlinear system by the T-S fuzzy model as a convex combination is only valid in the operation region. Therefore, it is necessary to assure conditions such that the state of the system remains in that region. This work proposes conditions to ensure the local stabilization, with decay rate, of a class of uncertain continuoustime nonlinear systems with saturation on the actuator, using a switched control. The designs of the controllers are performed based on the T-S fuzzy model which exactly describes the nonlinear system and the design procedures provide a region in which the initial conditions must be such that the nonlinear system is exactly described by the uncertain T-S fuzzy model along the whole state trajectory of the system and this trajectory remains in a specified operation region. Usually, the switched control has no bound on the frequency of the feedback gains switching, and this can lead to chattering, which is manifested by infinitely fast frequ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor