This work develops a new mathematical model to the salient pole synchronous machines (SPSM), based on the abc reference system. The model considers the distribution and coil pitch factors of windings and develops a new function for the variable air gap, generated by the curvature of the polar mass. As a result, the development of the modeling takes into account the spatial harmonic components of: magneto motive force MMF(θ)h, electromagnetic ux density B(θ)h and variation function of the air gap g(θ)h. It is also proposed a new and simplied methodology using the locked rotor tests, volt-ampere method, to obtain the constants of the synchronous machine design, which allow the calculation of the modeling parameters and the terminals magnitudes determination. It presents also contributions to traditional methods of obtaining experimental inductances, using the locked rotor test. Yet it develops procedures and makes the simulation of the main temporal magnitudes at the generator terminals connected to the utility grid, electrical torque, speed, voltage and current. The model is validated through the theoretical and experimental confrontation of inductances, and also of the voltages and currents at the generator terminals connected to the utility grid. / Este trabalho desenvolve uma nova modelagem matemática para as máquinas síncronas de polos salientes (MSPS), baseada no sistema abc de referência. A modelagem considera os fatores de distribuição e de passo de bobina dos enrolamentos e desenvolve uma nova função para o entreferro variável, gerado pela curvatura da sapata polar. Como conseqüência o desenvolvimento da modelagem leva em consideração os componentes harmônicos espaciais de: força magneto motriz FMM(θ)h, densidade de uxo eletromagnético B(θ)h e da função de variação do entreferro g(θ)h. É também proposto uma nova e simplificada metodologia a partir dos testes de rotor bloqueado, método volt-ampere, para a obtenção das constantes de projeto da máquina síncrona que possibilitam os cálculos dos parâmetros da modelagem, bem como a determinação das grandezas terminais. Também apresenta contribuições aos métodos tradicionais de obtenção de indutâncias experimentais, a partir dos testes de rotor bloqueado. Ainda desenvolve os procedimentos e faz a simulação das principais grandezas temporais nos terminais do gerador conectado à rede da concessionária: torque elétrico, velocidade, corrente e tensão. A modelagem é convalidada através das confrontações teórico-experimental das indutâncias, e também dos resultados de correntes e tensões nos terminais do gerador conetado à rede da concessionária. / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os sistemas de controle de excitação em máquinas síncronas devem detectar com bastante rapidez as mudanças causadas pela entrada de carga no gerador isolado e atuar no sistema de excitação de forma rápida e eficiente, para manter a tensão terminal em níveis desejados. Ao contrário de outros trabalhos realizados nesta área com circuitos eletrônicos analógicos, em muitos casos, este controlador pode ser construído utilizando tecnologia microcontrolada por possuir alto nível de eficiência no controle, circuito com flexibilidade para implementação de diferentes estratégias de controle e baixo custo para produção. A abordagem deste trabalho consiste em uma proposta para aplicação de um controle de excitação automático utilizando uma malha PID, com opções de controle manual, monitoramento de tensão terminal e temperatura de estator da máquina, utilizando um microcontrolador PIC16F877A da empresa Microchip Technology. Os resultados obtidos a partir de ensaios práticos em laboratório com partidas diretas de motores de indução (1 e 2 cv) com um gerador de 2 kVA mostra que a atuação do controlador recuperou a tensão terminal em pouco tempo, para o setpoint adotado. E por fim, os resultados obtidos foram comparados com os tempos de resposta de outro conhecido regulador automático de tensão encontrado no mercado, para comprovar o bom desempenho de controle deste projeto. / The excitation control systems in synchronous machines must very quickly detect changes caused by load increase on the isolated generator and act on the excitation system in a rapid and efficient way in order to maintain terminal voltage at optimal desired levels. Unlike other works related with this area which used analog-based electronic circuits, this controller can in many case be built utilizing microcontrolled technology which is more efficient and flexible to implement different control strategies, as well as having a low cost of production. The approach of this research consists in a proposal to apply an automatic excitation controller, utilizing a PID control loop, including manual adjustments and monitorings of terminal voltage and stator temperature of the machine. It employs a PIC16F877A microcontroller from the Microchip Technology Company. The results obtained through practical tests in laboratory with a direct online start of induction motors (1 and 2 HP) on a 2 kVA generator show that the controller acts to recover the terminal voltage to the adopted setpoint in a reduced time. Finally, the results were also compared to the time of response provided from another well-known automatic voltage regulator found in the market, in order to prove the good control performance of this project. / Dissertação (Mestrado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP. Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw. Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon). The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies. Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding. / Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinâmico de um gerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operação conectado às redes de distribuição, utilizando a interface ATPDraw do software ATP. Neste contexto, é primeiramente necessário obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da máquina síncrona (regulador de tensão e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw. Além disso, para análise de estabilidade é desenvolvido uma técnica matemática para o cálculo do ângulo de potência da máquina a qual é representada no ATPDraw por um dispositivo (ícone). Para ajustar os parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de velocidade são apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas elétricos: o primeiro com um gerador síncrono conectado a uma rede de distribuição; e o segundo composto por três geradores distintos formando um sistema multimáquinas. Nesses sistemas são aplicados distúrbios do tipo rejeição de carga e curto-circuito para realização dos estudos. Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, são realizados estudos do desempenho dinâmico de um gerador síncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuição, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tensão), de estabilidade e verificar as influências dos controles da máquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeição de carga. / Mestre em Ciências