Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Permanent magnet motors possess high efficiency and can be commercially competitive. The main purpose of this paper is to describe a low cost four-switch brushless dc motor drive with compensated direct current controlled our compensated hysteresis strategy. The description of the mathematical model is used in the computational simulation models to four-switch and six-switch. These results are here compared in an experimental model of drive, where the six-switch PWM drive and hysteresis drive is compared to the four-switch hysteresis compensated drive and not compensated drive. The four-switch drive has the potential to reduce costs by reducing the number of switches in commercial, industrial and residential applications. / Motores a ímãs permanentes possuem alta eficiência e podem ser competitivos comercialmente em aplicações de potência fracionária. O trabalho apresenta uma estratégia de acionamento a quatro chaves para o motor de corrente contínua a ímãs permanentes sem escovas, com uma estratégia a baixo custo por meio do controle direto de corrente, ou controle por histerese compensado. A descrição do modelo matemático é utilizada em modelos de simulação computacionais a quatro e a seis chaves. Estes resultados são aqui comparados em um modelo experimental de acionamento, onde o acionamento a seis chaves por PWM e histerese é comparado à estratégia a quatro chaves por histerese compensado e por histerese não compensado. O acionamento a quatro chaves tem potencial para redução de custos devido à redução do número de chaves e pode ser utilizado em aplicações comerciais, industriais e residenciais. / Mestre em Ciências

Visando uma opção de substituição, onde for possível e aplicável, do motor de indução monofásico, este trabalho relata o estudo teórico, a construção, o acionamento e os ensaios de um motor bifásico com ímã permanente no rotor, de baixa potência, utilizando imãs de ferrita na confecção do rotor. / This work shows the theoretical studies, building, driving systems and tests of a small-power double-phase motor with ferrite permanent-magnet in the rotor, based on the original structure of a single-phase induction motor. The objective is to create an option to replace the single-phase induction motor where it is possible and applicable.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-18T15:37:21Z No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-19T11:31:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-19T11:31:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 15632691 bytes, checksum: 70a89dc2e4e38eb468aa2013be66ab1f (MD5) Previous issue date: 2017-02-02 / Esta tese apresenta as etapas de projeto e de implementação de um controlador digital preditivo para regular as correntes de um motor CC de ímãs permanentes sem escovas (do inglês, Permanent Magnets Brushless DC motor) (BLDC) de baixa indutância, trifásico a três fios. Estes tipos de motores são usualmente acionados por conversores eletrônicos de potência com múltiplos estágios, comutados em altas frequências, ou usam filtros adicionais para limitar as ondulações de corrente. As formas de onda da força contra eletromotriz induzida e das correntes retangulares dificulta o projeto e sintonia de controladores lineares. A complexidade desta tarefa aumenta quando se considera a ampla faixa de velocidade de operação do motor. Controladores digitais preditivos são facilmente implementados em processadores digitais de sinais, tendo sido usados com sucesso para regular correntes de diferentes tipos de conversores eletrônicos de potência. Três estratégias de comutação (bipolar, unipolar síncrona e unipolar) são usadas para obter três controladores PWM preditivos para regular as correntes retangulares do motor BLDC, sem a necessidade de filtros ou conversores adicionais. O fato das correntes fluírem por apenas duas das fases do motor em cada intervalo de π/3 rad permite operar o inversor fonte de tensão trifásico (Voltage Source Inverter) (VSI) como um conversor CC-CC em ponte completa. Esta característica simplifica o algoritmo de controle sendo necessário apenas um controlador para as correntes trifásicas. Parcelas para compensar o erro em regime permanente devido ao tempo morto, queda de tensão nos interruptores e atrasos de amostragem e de disparo dos interruptores são incorporadas à lei de controle modificada. Resultados experimentais e de simulação para um motor BLDC trifásico de 5 kW/48 V são apresentados para demonstrar a viabilidade da proposta. O algoritmo de controle do sistema de acionamento do motor BLDC foi implementado usando o controlador digital de sinais TMS320F28335. / This thesis presents the design and implementation steps of a digital predictive controller to regulate a low–inductance, three–phase, three–wire permanent magnet brushless DC (BLDC) motor currents. These types of motors are usually driven by multi-stage converters, switched at high frequencies, or use additional inductances to limit the current ripple. The motor’s trapezoidal back electromotive force and rectangular currents waveforms make the design and the tuning process of linear controllers difficult. This task complexity increases when a wide speed range is considered. Digital predictive controllers are easily implemented using digital signal processors (DSP), as successfully used for different types of power electronic converters currents regulation. Three switching strategies (bipolar, synchronous unipolar e unipolar) are used to obtain three PWM predictive controllers to regulate the rectangular currents of a brushless DC motor, without the need for any additional filters or converter. Due the fact that the currents flow only between two phases of the motor at every π/3 rad period makes possible to operate the three-phase voltage source inverter as a full-bridge DC–DC converter. This feature simplify the control algorithm which requires only one controller to synthesize the three-phase currents. A methodology to eliminate the steady-state error due to blanking time, switches voltage drop, sampling delay and pulse driver delay were incorporated in the modified predictive control law. Experimental and simulation results using a 5 kW/48 V three–phase BLDC motor are presented to demonstrate the feasibility of this proposal. The control algorithm was implemented in a digital signal controller TMS320F28335.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-24T18:25:05Z No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-25T12:14:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T12:14:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodolfolacerdavalle.pdf: 17326163 bytes, checksum: b5bfc03806c064bdf98c9890ed322936 (MD5) Previous issue date: 2013-03-07 / Esta dissertação apresenta as etapas de desenvolvimento de um sistema de acionamento de um motor CC de ímãs permanentes sem escovas para aplicação em veículos elétricos de pequeno porte. O motor é acionado por um inversor fonte de tensão trifásico (VSI, Voltage Source Inverter) baseado em interruptores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Os sinais de comutação dos interruptores são gerados por uma estratégia de modulação vetorial. Sinais gerados por três sensores de efeito Hall são usados para detectar a posição angular do rotor. O motor é controlado a partir de duas malhas. Uma malha externa controla a velocidade enquanto a malha interna controla as correntes de fase do motor. O desempenho de dois tipos de controladores foram investigados para o controle das correntes sintetizadas pelo VSI: (i) controlador proporcional– integral no sistema de coordenadas síncrono e (ii) controlador proporcional–integral com integradores em múltiplos sistemas de coordenadas rotativas. Além das malhas de controle, o sistema de acionamento foi projetado com uma estratégia de desacoplamento das correntes de controle e uma ação preditiva para compensar o efeito das tensões contra–eletromotriz trapezoidais geradas por fase pelo motor. Um protótipo experimental do sistema de 5 kW foi montado em laboratório. Os algoritmos de controle do motor e do VSI, juntamente com o algoritmo de deteção de posição do rotor foi implementado em um controlador digital de sinais TMS320F28335. Resultados experimentais são apresentados, discutidos e utilizados para validar as estratégias de controle. / This dissertation presents the development of a permanent magnet brushless DC motor drive (PMBLDC) for small electric vehicles applications. A three–phase voltage source inverter (VSI) based on IGBT (insulated gate bipolar transistor) is used to drive the electric motor. The semiconductor switches are controlled by space vector modulation (SVM). Signals from three Hall effect sensors are used to detect the rotor angular position. Two closed–loops are used to control the PMBLDC motor. The outer loop controls the rotor velocity while the inner loop controls the motor phase currents. Two types of controllers were investigated to synthesize the currents: (i) proportional– integral controller in synchronous reference frame and (ii) proportional–integral controller with multiple rotating synchronous reference frame integrators. Besides the current control loops, the drive system was designed considering the decoupling of the synthesized phase currents and a feed-forward electromotive force waveform compensation. An experimental prototype of 5 kW was built in laboratory. The motor and VSI control algorithms and the algorithm used to detect the rotor position were implemented in a TMS320F28335, digital signal controller. Experimental results are presented, discussed along with the validation of the control strategy.

Cette thèse traite de la modélisation, conception, optimisation ainsi que de la validation expérimentale d'une machine à reluctance variable à double alimentation (BDFRM-Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine) destinée aux éoliennes. La BDFRM est notamment considérée comme une alternative viable à la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MASDA) dans les systèmes éoliens à vitesse variable. Elle maintient les avantages de coût de la MASDA tout en permettant l'utilisation d'un convertisseur de puissance réduit ainsi que la diminution des coûts d'entretien en raison de son fonctionnement sans balais. Une revue de la littérature fait apparaitre un manque de recherches concernant la définition de procédures de conception pour rendre cette machine plus populaire en général, et dans l'éolien en particulier. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la maîtrise du processus de conception optimale de la BDFRM en proposant une approche méthodologique basée sur différents niveaux de modélisation et sur l'optimisation. Elle examine comment l'optimisation pourrait être appliquée à toutes les étapes de développement avec des objectifs distincts à évaluer. Plus précisément, elle se focalise sur la définition du problème d'optimisation sous contraintes et sur sa solution itérative en utilisant un algorithme déterministe couplé à des modèles semi-analytiques de différents niveaux. Les activités effectuées au cours de cette thèse peuvent être divisées en cinq parties principales. La première se réfère à l'étude de la BDFRM et de son principe de fonctionnement dans le contexte de l'énergie éolienne. La seconde partie examine les aspects de modélisation électromagnétique de la BDFRM en utilisant différentes approches. Deux modèles orientés pour l'optimisation ont été développés: le Modèle Semi-Analytique (SAM-Semi Analytical Model ) et le modèle multistatique de réseau de reluctances (MSRN-Multi-Static Reluctance Network). La mise en œuvre des modèles axés sur l'optimisation déterministe et leurs vérifications par des simulations utilisant la méthode des éléments finis (MEF) constituent la troisième partie. Il est possible de conclure qu'à partir des résultats de simulation que le SAM a un niveau de précision limité et qu'il est alors recommandé de l'utiliser dans les étapes de prédimensionnement, où le concepteur est plus intéressé par l'acquisition de résultats avec des temps de calcul rapides que par l'obtention d'une plus grande précision. Le MSRN, au contraire, présente des résultats d'une précision remarquable par rapport à la MEF, ce qui donne un compromis très intéressant entre précision et temps de calcul. Cette thèse a permis aussi de spécifier et réaliser un prototype de BDFRM en utilisant une approche d'optimisation présenté en quatrième partie. Ensuite, les données expérimentales obtenues à partir du prototype ont été confrontées aux résultats de la simulation pour valider les modèles, mettant l'accent sur le processus de modulation de flux par le rotor à réluctance, en particulier l'inductance mutuelle entre les enroulements. Bien que les résultats soient dans un sens satisfaisant pour la validation des modèles, il y a des différences qui ont exigés un examen plus approfondie. Une discussion sur les hypothèses les plus probables a donc été effectuée, celle-ci a souligné le rôle important du processus de fabrication de la machine sur ses performances. La cinquième partie explore à travers une étude de cas l'utilisation de la procédure de conception de la BDFRM proposée dans cette thèse pour les éoliennes. En conclusion générale, on peut affirmer que la BDFRM est potentiellement une bonne candidate pour être utilisée dans les systèmes éoliens. Toutefois, les aspects techniques et économiques sur ce choix doivent être encore évalués, en analysant et en comparant la solution globale du système dans le même cadre de recherche avec d'autres solutions alternatives. / This thesis addresses the modeling, design and optimization with experimental validation of the Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine (BDFRM) for wind power systems. The BDFRM is being considered as a viable alternative to the Doubly Fed Induction Machine (DFIG) in variable speed wind energy conversion systems. It keeps the cost advantages of the DFIG by allowing the use of a fractionally rated power converter and it has the advantage of reduced maintenance costs due to its brushless operation. A literature review shows that there is still a lack of researches to define a design procedure to make this machine widely used in general and in such application in particular. The main goal of this thesis is to contribute on mastering the BDFRM optimized design by proposing a methodological approach based on different modeling levels and on optimization. It discusses how optimization could be applied in all development stages with distinct objectives to be assessed. More precisely, it draws its attention on setting the optimization problem and on the iterative solution of a constrained inputs/outputs problem by using a deterministic algorithm coupled to analytical-based modeling levels. The activities performed during this thesis can be divided in five main topics. The first refers to the study of the BDFRM and its operating principles in the context of wind power. The second discusses the BDFRM electromagnetic modeling aspects using different approaches. Two optimization-oriented models have been developed: the Semi-Analytical Model (SAM) and the Multi-Static Reluctance Network model (MSRN). The implementation of the models focusing on deterministic optimization and their verification through simulations using Finite Element Analysis (FEA) are considered the third topic. It can be concluded from the simulation results that the SAM has a limited accuracy level and it is recommended to be used in early design stages, where the designer is most interested in fast computation times to test many design variation than in obtaining the results with the highest possible accuracy. The MSRN, on the contrary, presents remarkably precise results when compared to FEA, yielding a very interesting trade-off among accuracy and computation time. This thesis has also allowed to specify and realize a BDFRM prototype using an optimization approach, presented in the fourth part. Then, the experimental data obtained from the prototype has been confronted to the simulation results to validate the models, focusing on the investigation of the flux modulation process by the reluctance rotor, especially the mutual inductance among the windings. Although the results were in a sense satisfactory to validate the models, there have been differences that demanded further investigation. A discussion on the most likely hypothesis for that has been performed, indicating the significant role of the manufacturing process on machine performance. The fifth topic explores through a case study the use of the proposed BDFRM design procedure for wind power applications. As a general conclusion, it can be stated that the BDFRM is potentially a good candidate to be used in wind power systems. However, the technical and economic aspects on this choice must be still assessed, analyzing and comparing the overall system solution of distinct topologies within the same framework. / Esta tese aborda a modelagem, o projeto e a otimização, com validaçãoexperimental, de máquinas de relutância duplamente alimentadas sem escovas (BDFRM)para sistemas de geração de energia eólica.A BDFRM é considerada como uma alternativa viável para o gerador de indução duplamentealimentado (DFIG) em sistemas de geração de energia eólica com variação develocidade. Ela mantém as vantagens de custo da solução com o DFIG, permitindo autilização de um conversor de frequência de potência nominal reduzida, e tem a vantagemadicional de custos de manutenção mais baixos devido a sua operação sem escovas. Umarevisão da literatura evidencia que ainda há uma necessidade de pesquisas na área parade_nir um procedimento de projeto desta máquina para torná-la amplamente utilizada emaplicações em geral e, em particular, para geração eólica.O objetivo principal desta tese é de contribuir para o domínio de técnicas de projetootimizado para a BDFRM através da proposição de uma metodologia baseada em diferentesníveis de modelagem e em otimização. Discute-se como técnicas de otimização podem seraplicadas em todas as fases de desenvolvimento com objetivos distintos. Especi_camente,a metodologia proposta se concentra na de_nição e na solução iterativa de problemas deotimização com restrições nas saídas utilizando um algoritmo determinístico acoplado amodelos semi-analíticos de diferentes níveis.As atividades realizadas durante esta tese podem ser divididas em cinco tópicos principais.O primeiro refere-se ao estudo da BDFRM e seu princípio de funcionamento no contextode geração de energia eólica. O segundo trata dos aspectos de modelagem eletromagnética da BDFRM utilizando diferentes abordagens. Dois modelos orientados à otimizaçãoforam desenvolvidos: o modelo semi-analítico (SAM) e o modelo multi-estático de redes derelutâncias (MSRN). A implementação dos modelos com foco na otimização e a veri_caçãodeles através de simulações com o método de elementos _nitos (FEA) são consideradas aterceira parte. Pode-se concluir, a partir dos resultados de simulação, que o SAM tem umaprecisão limitada e é recomendado para ser utilizado em estágios iniciais de projeto, emque o projetista está mais interessado em cálculos rápidos para testar diversas variações deprojeto do que na obtenção de resultados com a maior precisão possível. O MSRN, ao contrário, apresenta resultados precisos quando comparado aos obtidos com o FEA, resultandonum interessante custo-benefício entre precisão e tempo de cálculo. Nesta tese, fabricou-setambém um protótipo da BDFRM, o qual foi especi_cado utilizando-se otimização e osdetalhes sobre ele são introduzidos na quarta parte. Os dados experimentais obtidos com oprotótipo foram confrontados com os resultados de simulação para validação dos modelos,focando-se na investigação do processo de modulação de _uxo pelo rotor relutância, especialmentea indutância mútua entre os enrolamentos. Embora os resultados obtidos sejamsatisfatórios para validar os modelos, encontraram-se diferenças que exigiram uma investigação mais detalhada. As hipóteses mais prováveis foram investigadas e as conclusõesindicam o papel determinante do processo de fabricação no desempenho da máquina. Oquinto tópico explora através de um estudo de caso a utilização do procedimento de projetoproposto da BDFRM para aplicações de geração de energia eólica.Como conclusão geral, pode-se a_rmar que a BDFRM é potencialmente uma boa candidatapara ser utilizada em sistemas de geração de energia eólica. Contudo, aspectostécnicos e econômicos sobre essa escolha devem ainda ser avaliados, comparando-se asdiferentes topologias existentes sob o mesmo enfoque metodológico.