Orientador: Gustavo Martin Dalpian / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-graduação em Nanociências e materiais avançados, 2010.

Orientador: André Nunes de Souza / Banca: Helio Eiji Sueta / Banca: Pedro da Costa Junior / Resumo: Com a modernização da sociedade e o grande crescimento tecnológico visto nos últimos anos, é difícil de imaginar a ausência da energia elétrica nos dias atuais, pois tudo depende da energia para funcionar. A energia elétrica é fundamental para todos os setores da sociedade: residencial, comercial e industrial. A qualidade de seu fornecimento também é muito importante, pois é a qualidade que garante o correto funcionamento de todos os processos realizados no dia-a-dia. No entanto, nenhum sistema, por melhor que seja, é imune à ocorrências de falhas. Assim sendo, uma boa monitoração destas falhas é necessária para realização de manobras de correção mais eficientes. Além disso, a crescente preocupação ambiental faz com que as concessionárias busquem melhores formas de levar a energia à energia à população, com redes mais seguras, mais confiáveis e também mais baratas. Os sistemas subterrâneos têm demonstrado ser uma boa solução no que diz respeito à segurança, confiabilidade e preocupação ambiental, porém a sua instalação ainda é muito cara em comparação com as redes aéreas convencionais. Como todos os sistemas, as redes subterrâneas também estão sujeitas a defeitos. A correta localização a falta (defeito) em cabos subterrâneos de distribuição de energia elétrica não é uma tarefa trivial. Além da dificuldade de acesso ao sistema, existe o alto custo das medições dos parâmetros e a necessidade de uma análise de um especialista dos sinais medidos, ocasionando erros que têm se mostrado custosos. A proposta desta dissertação consiste em estudar os sistemas subterrâneos através de ferramentas computacionais e desenvolver um sistema inteligente que auxilie com a precisão de localização de faltas subterrâneos de distribuição de energia elétrica / Abstract: With the modernization of society and the great technological growth in the last years, it is hard to imagine the absence of electric power nowadays, because everything depends on energy to work. Electricity is fundamental to all sectors of society: residential, commercial and industrial. The quality supply is also very important, since quality guarantees the correct functioning of all processes performed in a daily basis. However, no system is immune to the occurrence of faults. Therefore, a good monitoring of these faults is necessary for more efficient correction adjustments. In addition, the growing environmental concerns make the power utilities to find better ways to take energy to the population, through safer more reliable and also cheaper networks. The underground system has be found to be a good approach to improve safety, reliability and environmental features, but its installation is still very expensive when compared to conventional overhead systems. Like any system, the underground networks are subjects to defects. The correct fault localization (defect) in eletricity distribution underground networks is not a trivial task, it is not just due to a difficult system acess, the high cost of measurements of the parameters and the required expert analysis of the measured signals. These factors are source of errors that have proven costly. The purpose of this dissertation is to study underground system using computational tools and develop an intelligent system to accurately assist to locating of faults in underground cables of power distribution networks / Mestre

Recentes estudos sugerem a existência de sinapses elétricas mediadas por junções gap entre fotorreceptores na retina de vertebrados. Neste trabalho, descrevemos um modelo computacional dos circuitos primário e secundário mediados pelos bastonetes da retina de vertebrados. O modelo é composto pelas seguintes populações de células: bastonetes, cones, células bipolares dos bastonetes, células bipolares dos cones, células amácrinas do tipo AII e células ganglionares. As células do modelo estão acopladas entre si por sinapses químicas e elétricas segundo padrões realísticos de convergência e divergência. As sinapses elétricas ocorrem entre os bastonetes, entre os bastonetes e os cones, entre as células amácrinas AII e entre as células bipolares dos cones e a células amácrinas AII. O modelo assume que um estímulo luminoso de baixa intensidade, simulando condições escotópicas, atinge todos os bastonetes da camada receptora, porém menos da metade deles é excitada. A resposta dos bastonetes excitados é controlada por uma fotocorrente cuja amplitude pode ser alterada para simular estímulos de diferentes intensidades dentro da faixa escotópica. O modelo é utilizado para investigar os efeitos dos diferentes graus de acoplamento elétrico entre as células receptoras e entre as células amácrinas AII, além do efeito de diferentes valores de condutância do canal Ih ativado pela hiperpolarização nos bastonetes, sobre a faixa dinâmica da retina. Os resultados das simulações mostram que, para valores realísticos da condutância do canal Ih, a faixa dinâmica medida na camada receptora é maximizada para o índice de conectividade crítico para que haja percolação de ligação. No entanto, quando a faixa dinâmica é medida para as células bipolares ou ganglionares o valor máximo é obtido para um índice de conectividade subcrítico. Este resultado é conseqüência da alta convergência de sinapses químicas entre os bastonetes e células bipolares. / Recent studies suggest the existence of electrical synapses (gap junctions) connecting photoreceptors in the vertebrate retina. In this work we describe a computer model of the primary and secondary rod pathways in the vertebrate retina. The model is composed of the following cell populations: rods, cones, rod bipolar cells, cone bipolar cells, AII amacrine cells and ganglion cells. Cells of the model are connected via chemical as well as electrical synapses according to realistic convergence and divergence factors. There are electrical synapses between rods, rods and cones, AII amacrine cells, and cone bipolar cells and AII amacrine cells. The model assumes that low intensity stimuli simulating scotopic conditions reach all rods in the receptor array but less than half of them are excited. The excited rods response is controlled by a photocurrent waveform whose amplitude can be manipulated to simulate stimuli of different intensities within the scotopic range. The model is used to investigate the effects of different degrees of coupling among photoreceptors and among AII amacrine cells, as well as values of rod hyperpolarization activated current Ih on the dynamic range of the retina. Results show that for realistic values of Ih conductance the dynamic range of the rod array is maximized at the critical connectivity degree for bond percolation. However, the dynamic range of the rod bipolar and ganglion cells is maximized for a photoreceptor connectivity degree below the critical value. The latter result is a consequence of the high convergence of chemical synapses from rods to rod bipolar cells.

Em todos os segmentos da sociedade, a utilização de equipamentos eletrônicos projetados e construídos com avançadas tecnologias eletrônicas e controlados por microprocessadores aumenta a cada dia. Na área de saúde, denominados de equipamentos eletromédicos, dão suporte aos setores de diagnóstico, tratamento ou, procedimento cirúrgico, melhorando a qualidade dos serviços e o atendimento aos pacientes. No entanto, o sucesso global do processo deverá considerar a qualidade das instalações elétricas nesses ambientes, bem como a qualidade da energia elétrica fornecida a esses equipamentos. Este trabalho tem como objetivo comprovar, por meio de pesquisa em laboratório, o risco de diagnósticos médicos baseados em informações fornecidas por equipamentos eletromédicos, alimentados em redes elétricas que não atendem às normas vigentes ou, totalmente perturbadas por outros equipamentos típicos dos ambientes médico-hospitalares. A metodologia aplicada consistiu em medições dos parâmetros referentes à qualidade de energia elétrica nos estabelecimentos assistenciais de saúde. Atenção especial foi dada ao conteúdo harmônico de tensão e aos afundamentos de tensão de curta duração produzidos por equipamentos de raios X, mamografia, tomografia computadorizada, ressonância magnética nuclear e motores elétricos de indução. Em seguida, essas perturbações foram reproduzidas em fontes de tensão específicas para essa finalidade, instaladas no Laboratório do Centro Tecnológico de Qualidade de Energia da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, conhecido como Enerq-ct. Equipamentos eletromédicos portáteis, gentilmente cedidos por diversos fabricantes nacionais, foram submetidos a esses sinais para verificação do seu desempenho. Os resultados obtidos demonstram a importância da qualidade de energia elétrica bem como, a qualidade dos serviços de manutenção nas instalações elétricas desses ambientes. / Through all segments of our society, there is a daily increase in the use of electronic equipment designed and built with advanced electronic technology and computerized control. In the health-medical area, designated electromedical equipment, they provide support to sectors in charge of diagnosis, treatment or surgical procedures, improving the quality of services and the manner patients are cared for. However, the global success of this process must take into consideration the quality of electrical installations at these facilities, as well as the electrical power supplied to the equipment. The aim of this work is to attest through laboratory research the risk of medical diagnoses based on information provided by electromedical equipment powered through electrical networks which do not meet the standards in effect, or which are completely disturbed by other equipment typical of electromedical environments. The methodology applied consisted of measurements of the parameters referring to the quality of electrical power in health care facilities. Especial attention was given to the voltage harmonic content and to short duration voltage sags caused by X-ray, mammography, computerized tomography and nuclear magnetic resonance equipment or by induction motors. Later, these disturbances were reproduced in power supplies which are specific to this objective, installed at Laboratório do Centro Tecnológico de Qualidade de Energia da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo- Energy Quality Technological Center of the Technical School of the University of Sao Paulo , known as Enerq-ct. Portable electromedical equipment, kindly supplied by national manufacturers, were subjected to these signals for assessment of their performance. The results obtained demonstrate the importance of the quality of electrical power as well as the quality of maintenance of electrical installations within these environments.

Este presente trabalho visa fornecer novas ferramentas para a análise de índices de qualidade no âmbito do planejamento agregado de investimentos em sistemas de distribuição primária. O planejamento agregado de investimentos representa uma metodologia de previsão de investimentos em Sistemas de Distribuição de uma empresa, que utiliza a análise estatística e classificação de rede em famílias para representação da rede, considera aspectos de incertezas e critérios de priorização de obras, em função dos recursos disponíveis, e informa o tipo de obra a ser realizada e o montante de investimentos necessário por tipo de obra. Este trabalho procura complementar o modelo através da análise técnica dos índices de qualidade, quantificando-se os benefícios obtidos ao longo do horizonte de estudo, através de um sistema computacional que, baseado nos resultados dos representantes dos grupos de redes, determina os índices técnicos para tais representantes, para as regionais definidas e para todo o sistema, possibilitando a análise gerencial da evolução da rede elétrica. Também foi desenvolvida ferramenta que permite a determinação do Custo Incremental Médio de Longo Prazo (CIMLP) e do Custo Marginal do sistema de média tensão, englobando subestações de distribuição e circuitos primários do sistema elétrico. O trabalho é finalizado com o estudo de um caso de planejamento de uma área de concessão de uma empresa fictícia, onde são executados os processamentos e analisados os resultados técnicos, de custos e de qualidade. / This work aims at developing new tools for the analysis of quality of supply indices regarding long term investment planning of primary electric power distribution systems. Investment planning in aggregated basis represents a established methodology for estimating future investments in all distribution systems of a utility, by using statistic and clustering analysis to represent the overall network through groups of elementary distribution systems. The methodology also considers uncertainty and makes use of a number of criteria to prioritize new facilities to be incorporated into the system, taking into account financial constraints. For each new facility the system determines costs and corresponding benefits. This dissertation complements such model through the introduction and analysis of various quality of supply indices, helping the planner engineer to assess all benefits related to a given investment plan. The developed computational system is based on the results obtained for each elementary distribution system. It then evaluates global and regional technical indices, that allows for important managerial analysis concerning the system expansion. The computational system also evaluates the average long range incremental and the marginal costs associated with a specific investment plan, thus taking into account new facilities concerning substations and network feeders. A case study considering a fictitious distribution company and its overall system illustrates the tools developed, showing all potential studies and decision making capabilities which were made available during this research work.

A aplicação de técnicas de Inteligência artificial em sistemas elétricos de potência permite a resolução de problemas onde soluções tradicionais não mostram bons resultados. Por exemplo, após a ocorrência de uma falta, um sistema automatizado toma todas as medidas necessárias para proteger o sistema e assumir um estado seguro de operação. Nessa ocasião, cabe aos operadores verificar todas as mensagens e dados disponíveis, selecionando aquelas relevantes, para então chegar a uma conclusão sobre o evento ocorrido. Apenas após esse diagnóstico, com base em seu conhecimento, o operador pode ordenar o restabelecimento do sistema ou sua manobra para outro estado. Esse processo é lento e passível de falhas, pois as informações são usualmente conflitantes e confusas, devido à avalanche de eventos, alarmes e alertas decorrentes. Diante desta dificuldade, é interessante dispor de uma ferramenta automática de diagnóstico e apoio na tomada de decisão que torne essa tarefa mais ágil e com menores riscos. Este trabalho aborda a integração e a interoperabilidade de equipamentos de uma subestação elétrica em conformidade com a norma IEC 61850, e a utilização de sistemas inteligentes com lógica Fuzzy executados em um controlador programável moderno. O sistema proposto faz uso de recursos de comunicação da IEC 61850, com mensagens prioritárias padrão GOOSE incluindo valores analógicos de corrente de falta, além de mensagens no padrão TCP/IP MMS. Essas informações, alarmes e eventos, são processadas de forma automática por um motor Fuzzy que permite aproximar a decisão computacional à decisão humana, incluindo zonas de incerteza e lógica ponderada, permitindo respostas mais abstratas do que algo puramente binário. O sistema proposto foi submetido a um grande número de eventos com um simulador em tempo real, com equipamentos reais, tais como IEDs e um controlador programável de alto desempenho. Além disso o sistema usou um esquema de comunicação inovador para o módulo do processador de dados em tempo real (RTDP), inteiramente baseado nos protocolos da IEC 61850. / The application of artificial intelligence techniques in electric power systems allows solving problems where traditional solutions do not show good results. For example, in electric power systems, after the occurence of a fault, an automated system takes all necessary measures to protect the system and assume a safe state of operation. On this occasion, it is for operators to review all messages and data available, selecting those relevant to then come to a conclusion about the event that occurred. Only after this diagnosis, based on his knowledge the operator may order the restoration of the system or their operation to another state. This process is therefore slow and subject to failure, because the information is usually conflicting and confusing because of the avalanche of events, alarms and warnings arising. Faced with this difficulty, it is interesting to have an automatic diagnostic tool and support in decision making that makes this task quicker and with less risk. This paper addresses the integration and interoperability of an electrical substation equipment in accordance with IEC 61850, and the use of intelligent systems Fuzzy logic running on a modern programmable controller. The proposed system makes use of the IEC 61850 communication resources with priority GOOSE messages including standard analog values of fault current, as well as messages on standard TCP / IP MMS. This information, alarms and events, are processed automatically by a fuzzy engine that allows the computational approach to human decision making, including areas of uncertainty and weighted logic, allowing more abstract answers than purely binary. The proposed system has undergone a large number of events with a simulator in real time with actual equipment such as a programmable controller IEDs and high performance. In addition the system used an innovative communication scheme for the module\'s real-time data processor ( RTDP ), based entirely on the IEC 61850 standard protocols such as MMS and GOOSE messages.

Neste trabalho desenvolve-se uma análise sobre o estado da arte e tendências para projeto de geradores elétricos em turbinas eólicas offshore. A conjunção dos requerimentos de alta confiabilidade e potência, criam condições adequadas para a aplicação de máquina elétricas multifásicas nesse setor. Desta forma, optou-se por estudar as características e condições de projeto de máquinas elétricas multifásicas, simétricas ou assimétricas. Com esta finalidade, os métodos analíticos de projeto de máquinas elétricas trifásicas são revisitados e estendidos, quando necessário, para diferentes configurações multifásicas. O foco do trabalho, consiste em desenvolver e explorar temas de projeto de geradores elétricos multifásicos, síncronos de imãs permanentes, com enrolamentos distribuídos de dupla camada. Para estudo de caso, realiza-se a comparação entre o projeto de quatro topologias diferentes. Nomeadamente, compara-se o projeto de geradores de três, seis, nove e dezoito fases para turbinas eólicas offshore de 10 MW. A configuração com gerador de nove fases apresenta os melhores resultados, com densidade de torque 10,96% superior à densidade de torque desenvolvida pela máquina trifásica analisada. Por fim, a metodologia analítica desenvolvida para o projeto de máquinas elétricas multifásicas é verificada usando o método de elementos finitos bidimensional, para o gerador síncrono de imãs permanentes de nove fases. / The state of the art and future trends for offshore wind turbines were reviewed. Due to its fault-tolerant characteristic, multiphase electrical generators were identified as strong candidates to meet the power and resilience targets of the offshore wind sector. In this work, the design aspects of three-phase electrical machines are reviewed and extended to different multiphase configurations. The main focus of the work is to develop an analytical design methodology for multiphase, symmetrical and asymmetrical, synchronous generators with double-layer distributed windings. As a case study, the project of a three-phase, six-phase, nine-phase and eighteen-phase permanent magnet synchronous generators were compared for a 10MW offshore wind turbine. The best results were found for the nine-phase topology, with a torque density 10.96% higher than the torque density of the analysed three-phase machine. The developed design methodology was validated with a finite element analysis of the ninephase permanent magnet generator.

Esta tese apresenta um algoritmo capaz de detectar eventos que afetam a qualidade de energia e quantificar níveis de distorção harmônica utilizando poucos recursos de processamento. A carga de processamento reduzida é compatível com os processadores utilizados em medidores de faturamento monofásicos de baixo custo. Outros métodos de detecção, que exigem maior capacidade de processamento, podem comprometer o funcionamento destes medidores. O algoritmo proposto utiliza o sinal monofásico amostrado e gera sinais equivalentes a um sistema polifásico virtual capaz de detectar variações de tensão de curta duração e transitórios oscilatórios de baixa frequência. Distorções harmônicas presentes no sinal amostrado podem ser quantificadas em grupos, como múltiplos do número de fases virtuais criadas. São apresentados os algoritmos utilizados e os resultados obtidos com simulações para conversões A/D de 10 e 12 bits. O algoritmo foi testado com um processador de baixo custo com conversor A/D de 10 bits e seus resultados são comparados com as simulações. / This thesis presents an algorithm able to detect events that affect power quality and quantify levels of harmonic distortion using few memory and low processing resources. The reduced processing load is compatible with processors used in low-cost single-phase billing meters. Other detection methods, which require greater processing power, may compromise those meters operations. The proposed algorithm uses the phase sampled signal and generates a virtual equivalent polyphase system, capable of detecting voltage sags, swell and low frequency oscillatory transient signals. The harmonic distortion present in the sampled signal can be quantified in groups, related with the number of virtual phases created. The algorithms were simulated with 10 and 12 bits A/D and the results obtained are shown. A test meter, based on a low-cost processor with a 10 bits A/D converter, was programmed with this algorithm and its results are compared with simulations.

O presente trabalho objetiva o estudo, obtenção e caracterização da liga magnética macia Fe-Si-P produzida por metalurgia do pó convencional visando à futura aplicação em núcleos de máquinas elétricas, atualmente fabricados por estampagem de chapas. Escolheu-se com base em testes prévios a liga Fe-3%Si-0,75%P. Para a obtenção da liga, foi utilizada a rota de mecâno-síntese com diferentes tempos de moagem: 1 h, 3 h e 9 h, além do material sem moagem para comparação. Na sequência compactaram-se uniaxialmente a frio os corpos de prova a 600 MPa seguido de sinterização a 1150 ºC em atmosfera de gás argônio. A análise da influência do tempo de moagem nas propriedades físicas, mecânicas, magnéticas e elétricas no material sinterizado foi a meta central deste trabalho. A caracterização das propriedades físicas mostrou uma redução da densidade aparente do pó moído, um aumento da distribuição do tamanho de partícula e redução do mesmo com o aumento do tempo de moagem. No que se refere às propriedades magnéticas, evidenciou-se que o material moído durante 3h apresentou os melhores resultados de indução de saturação (1,15 T), apesar do aumento na coercitividade já previsto devido ao processo de mecâno-síntese. Além disso, a difração de raios-X detectou a formação da liga através da solução sólida dos elementos P e Si na matriz ferrita. A análise metalográfica revelou a diminuição do tamanho de grãos com o aumento do tempo de moagem. Por fim, realizou-se a simulação do protótipo para análise do desempenho do material visando à aplicação futura. Esta, realizada pelo método de elementos finitos em um núcleo de um gerador síncrono com ímãs permanentes de NdFeB resultou em uma densidade de fluxo (1,95T) para o material com 3h de moagem e um torque de apenas 13% inferior se comparado ao gerador convencional produzido com núcleos de chapas de aço elétrico. / The present work aims to study, obtaining and characterization of Fe-Si-P soft magnetic alloy produced by conventional powder metallurgy intended for the future application in electrical machines cores, currently manufactured by sheet metal forming. The alloy Fe-3%Si-0,75%P was chosen based on previous tests. To obtain the alloy was used mechanical alloying route with different milling times: 1 h, 3 h and 9 h, and the material without milling for comparison. In the sequence, the specimens were uniaxially cold compacted at 600 MPa followed by sintering at 1150 ° C in an atmosphere of argon. The analysis of the influence of milling time on the physical, mechanical, magnetic and electric properties of the sintered material was the central goal of this work. The physical properties characterization showed a reduction in the bulk apparent density of the milled powder, an increase in particle size distribution and reduction thereof with increasing milling time. As regards magnetic properties, it was observed that the milled material for 3 hours showed the best results of saturation induction (1.15 T), despite the increase in the coercivity as expected due to the inherent mechanical alloying process. Furthermore, the X-ray diffraction detected the alloy formation through the solid solution of P and Si elements in the ferrite matrix. The metallographic analysis showed the decrease in grain size with increasing milling time. Finally, were performed a simulation prototype for analysis of material performance in order to future implement. This, held by finite element method on a synchronous generator core with NdFeB permanent magnets, resulting in a flux density (1.95 T) for the material with 3h of milling and a torque of only 13% lower compared to conventional generator produced with cores of electric steel sheet.

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.