Orientador: Madson Cortes de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T06:23:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Calsan_Marcelo_M.pdf: 3838681 bytes, checksum: 90e2461469f022ac1f0a18f89b60e6e9 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Nesta dissertação de Mestrado, apresenta-se um estudo detalhado sobre o desempenho dinâmico de sistemas de excitação para geradores síncronos em plantas de geração distribuída. Fora concebida uma planta e esta conectada a uma rede de distribuição com características de geração descentralizada ou distribuída. São utilizados aqui os modelos matemáticos da Norma IEEE 421.5 - IEEE DC1A, AC1A, ST1A e ST2A - e diversos estudos de estabilidade são realizados no intuito de se acompanhar o desempenho destes sistemas de excitação frente a alguns fatores como: Potência Crítica, Tempo Crítico de eliminação de Falta, níveis de curto-circuito no ponto de conexão entre as redes de distribuição e subtransmissão, relação X/R da rede e, por fim, a verificação de perfil de tensão em tomadas de carga dinâmica leve e pesada foi considerada, nas situações de operação em paralelo com a rede e operação isolada. Dados atualizados sobre os custos das diversas configurações são apresentados e em conjunto com os resultados dos estudos realizados, propõe-se qual (is) configuração (ões) pode(m) ser a(s) mais adequada(s) para plantas com esta característica de geração descentralizada / Abstract: In this dissertation, a detailed dynamic performance study on excitation systems for synchronous generators in plants of Embedded Generation is presented. It's been conceived a plant and this interconnected to a distribution grid with embedded or distributed generation characteristics. IEEE 421.5 Std. mathematical models are used here: IEEE DC1A, AC1A, ST1A and ST2A compound - and diverse stability studies are carried through with intention of following these systems performance front to some factors as: critical power, critical fault-clearing time, short-circuit levels at distribution net and transmission net interconnection, grid X/R relation. Finally terminal voltage profile during load disturbances is taken in consideration for parallel with grid and island mode. Up-to-date cost data are presented and added to the technical performance in order to indicate the better configuration for plants with this characteristic of decentralized generation / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

Neste trabalho é estudado um motor trifásico de ímã permanente no rotor, com fluxo não senoidal, através da análise do campo magnético. Essa máquina foi projetada utilizando-se a estrutura ferromagnética do estator de um motor de indução monofásico de 24 ranhuras o qual recebeu um novo enrolamento trifásico, e foi construído o rotor que é constituído de ímãs permanentes em sua superfície. Ela é aplicada em compressores herméticos de refrigeração, possibilitando o controle de velocidade e a melhoria da eficiência, quando comparada às demais máquinas utilizadas para a mesma aplicação. O estudo é realizado através da análise dos resultados obtidos utilizando-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos, aplicado em grandezas como: tensão induzida, densidade de fluxo magnético, torque eletromagnético e perdas. São apresentados resultados numéricos comparativos para a máquina existente (protótipo) com as seguintes alterações: diminuição do tamanho do entreferro, troca dos ímãs de ferrita pelos de NdFeB (Bonded) e, juntamente com essas mudanças, o recálculo do número de espiras e do diâmetro do enrolamento do estator. / In this work is studied a three-phase permanent-magnet motor, with nonsinusoidal flux, through the analysis of magnetic field. This machine was designed to use the same stator of a 24 slots single-phase induction motor that received a new three-phase winding. The rotor consists of permanent-magnet on its surface. The main application of this machine is in hermetic compressor household refrigeration systems. It has speed control and better efficiency than other machines used for the same application. The study is made through the analysis of numerical results, obtained by a software joint in the finite element method. The results consist in electromagnetic quantity like, back-emf, magnetic flux density, electromagnetic torque and losses. Comparisons between the prototype with these changes are presented: fall in the size of airgap, exchange of ferrite magnets for NdFeB (Bonded) magnets and, together with these changes, the number of turns in each winding and the wire diameter are recalculated.

Este trabalho propõe uma investigação sobre a influência da alocação da área de mancal em compressores herméticos para a refrigeração, considerando um motor Síncrono de Ímãs Permanentes com Partida Direta na Rede (LSPMSM) monofásico, e utilizando cálculos analíticos convencionais e o Método de Elementos Finitos (MEF). O recente aumento da preocupação com a eficiência energética tem levado muitos países a implantarem legislações que impõem necessidades de aumento de eficiência de motores elétricos. Neste contexto, o motor LSPMSM se apresenta como alternativa aos motores de indução convencionais visando à diminuição do consumo de energia elétrica, por exemplo, em refrigeradores. No entanto, a exigência de alocação de uma grande área para o mancal e por consequência a retirada de materiais ferromagnéticos do rotor pode diminuir o desempenho do motor LSPMSM inviabilizando assim sua aplicação. Para a realização deste estudo, foi adotada uma metodologia de projeto disponível na literatura para estabelecer as etapas do projeto a ser realizado. Tal referência de projeto, embora elaborada para ser utilizada em um motor LSPMSM trifásico, foi utilizada em um projeto de motor monofásico. Os resultados do ensaio foram comparados com os dados obtidos via simulações computacionais de tal forma a validar o método proposto e também avaliar o impacto da retirada de material do rotor no desempenho final do motor. Os resultados práticos ficaram próximos aos resultados obtidos em simulação validando a utilização da metodologia também em motores monofásicos. Desta forma foi possível visualizar o efeito da área de mancal no rotor que devido ao aumento da relutância do circuito magnético alterou os resultados do valor da tensão induzida dos ímãs. / This work proposes a study about the influence of the bearing area allocation in hermetic compressors for refrigeration, considering a single phase Line Start Permanent Magnets Synchronous Motor, and employing conventional analytical calculations and the Finite Element Method (MEF). Recent increase in concern about energy efficiency has led many countries to roll out laws that impose requirements to raise the electric motor efficiency. In this context the LSPMSM motor is an alternative over conventional induction motors for the purpose of seeking power consumption reduction. However, the requirement to allocate a large area for the bearing and thus removal of ferromagnetic materials of the rotor can reduce LSPMSM motor performance what may impede its implementation. For the accomplishment of this study it was adopted a methodology of design available in the literature to set up the steps to be followed. Such design reference was at first described to be applied in three phase LSPMSM, however in this work it was applied in a single phase motor. Tests results were compared with data obtained via computer simulations in a way to validate the proposed method and to assess the impact of material removal from de rotor on the motor performance. The obtained bench test results were close to those simulated ones validating the methodology to be used in single phase motors too. Therefore, it was feasible to notice the influence of the counterbore area in the rotor, which, due to the increased value of the circuit reluctance, changed induced voltage values related to the magnets.

Este trabalho propõe uma investigação sobre a influência da alocação da área de mancal em compressores herméticos para a refrigeração, considerando um motor Síncrono de Ímãs Permanentes com Partida Direta na Rede (LSPMSM) monofásico, e utilizando cálculos analíticos convencionais e o Método de Elementos Finitos (MEF). O recente aumento da preocupação com a eficiência energética tem levado muitos países a implantarem legislações que impõem necessidades de aumento de eficiência de motores elétricos. Neste contexto, o motor LSPMSM se apresenta como alternativa aos motores de indução convencionais visando à diminuição do consumo de energia elétrica, por exemplo, em refrigeradores. No entanto, a exigência de alocação de uma grande área para o mancal e por consequência a retirada de materiais ferromagnéticos do rotor pode diminuir o desempenho do motor LSPMSM inviabilizando assim sua aplicação. Para a realização deste estudo, foi adotada uma metodologia de projeto disponível na literatura para estabelecer as etapas do projeto a ser realizado. Tal referência de projeto, embora elaborada para ser utilizada em um motor LSPMSM trifásico, foi utilizada em um projeto de motor monofásico. Os resultados do ensaio foram comparados com os dados obtidos via simulações computacionais de tal forma a validar o método proposto e também avaliar o impacto da retirada de material do rotor no desempenho final do motor. Os resultados práticos ficaram próximos aos resultados obtidos em simulação validando a utilização da metodologia também em motores monofásicos. Desta forma foi possível visualizar o efeito da área de mancal no rotor que devido ao aumento da relutância do circuito magnético alterou os resultados do valor da tensão induzida dos ímãs. / This work proposes a study about the influence of the bearing area allocation in hermetic compressors for refrigeration, considering a single phase Line Start Permanent Magnets Synchronous Motor, and employing conventional analytical calculations and the Finite Element Method (MEF). Recent increase in concern about energy efficiency has led many countries to roll out laws that impose requirements to raise the electric motor efficiency. In this context the LSPMSM motor is an alternative over conventional induction motors for the purpose of seeking power consumption reduction. However, the requirement to allocate a large area for the bearing and thus removal of ferromagnetic materials of the rotor can reduce LSPMSM motor performance what may impede its implementation. For the accomplishment of this study it was adopted a methodology of design available in the literature to set up the steps to be followed. Such design reference was at first described to be applied in three phase LSPMSM, however in this work it was applied in a single phase motor. Tests results were compared with data obtained via computer simulations in a way to validate the proposed method and to assess the impact of material removal from de rotor on the motor performance. The obtained bench test results were close to those simulated ones validating the methodology to be used in single phase motors too. Therefore, it was feasible to notice the influence of the counterbore area in the rotor, which, due to the increased value of the circuit reluctance, changed induced voltage values related to the magnets.

Este trabalho demonstra que o efeito de extremidade existente em atuadores eletromagnéticos lineares pode ter influência significativa nas indutâncias próprias, mútuas e síncronas, com valores dependentes da posição que podem ser utilizados para monitoração da posição axial da armadura. O estudo é aplicado a um atuador eletromagnético linear tubular de ímãs permanentes com duplo arranjo de quase-Halbach e bobina móvel, que foi concebido para fins de uso em sistemas de suspensão eletromagnética ativa e semi-ativa. A partir da revisão de literatura apresentada, classificou-se o efeito de extremidade de máquinas lineares síncronas de ímãs permanentes quanto aos tipos, causas, consequências e técnicas de mitigação (caso seja necessário). Adicionalmente, os tipos de controle sem sensores são exemplificados a fim de se identificar maneiras possíveis de adequar algum ao atuador em estudo. São apresentados casos de trabalhos na literatura que utilizam o controle sem sensores em máquinas que possuem indutâncias com comportamento semelhante. Em termos de análise, a distribuição do fluxo magnético no atuador é estudada e um modelo semianalítico é elaborado para calcular o valor das indutâncias com base nos dados de fluxo magnético obtido por simulação numérica. Logo, modelos numéricos completos e parametrizados do atuador são elaborados para simulação transiente e magnetostática e a partir destes as indutâncias são obtidas. As indutâncias também são medidas experimentalmente e na análise dos resultados as incertezas de medição são calculadas e um projeto de experimento é apresentado. Os resultados dos modelos semianalítico e numérico apresentam boa concordância com os resultados experimentais. Por fim, a adequação do atuador para futura aplicação de controle sem sensores é discutida tendo como base a variação de indutâncias devido ao efeito de extremida. / This work demonstrates that the end effect in linear electromagnetic actuators can have a significant influence on the self-, mutual and synchronous inductances, with positiondependent values that can be used to measure the axial position of the armature. The study is applied to a linear synchronous electromagnetic actuator with two arrangements of quasi- Halbach permanent magnets and moving coil, which was designed for use in active and semiactive electromagnetic suspension systems. Based on the literature review presented, the end effect of permanent magnet synchronous linear machines was classified with regard to: types, causes, consequences and mitigation techniques (if necessary). In addition, the types of sensorless control methods are exemplified in order to identify a possible method to be applied to the actuator under study. It was found in the literature that sensorless control was applied to machines that have inductances with similar behavior. In terms of analysis, the distribution of the magnetic flux in the actuator is studied and a semi-analytical model was developed to calculate the value of the inductances based on the data of magnetic flux obtained through numerical simulation. Thus, the complete parametrized numerical models of the actuator were built for transient and magnetostatic simulation, and from these the inductances were obtained. The inductances are also measured experimentally, and in the analysis of the results the measurement uncertainties are calculated and a design of experiments is presented. The results of the semi-analytical and numerical models show good agreement with the experimental results. Finally, the suitability of the actuator for future application of sensorless control is discussed based on the variation of inductances due to the end effect.

Este trabalho apresenta o controle de potência em um gerador de indução duplamente alimentado (GIDA) utilizado em uma micro turbina eólica, visando o controle de potência ativa e reativa para minimizar as variações de tensão em redes rurais. Com a inserção destas fontes renováveis de energia no sistema de distribuição em baixa tensão, é fundamental analisar os impactos na qualidade de energia no ponto de conexão (PC) e implementar o controle adequado para atender os requisitos técnicos dos procedimentos de distribuição estabelecidos por norma. Uma equação é apresentada para relacionar a variação de tensão com a potência injetada em uma rede de distribuição em baixa tensão. Uma rede rural típica é emulada nesse trabalho para analisar este impacto na variação de tensão em áreas remotas. O sistema utiliza malhas de controle tradicionais PI para as correntes retóricas e malha de potência ativa e reativa, e as referências são então definidas para auxiliar a evitar uma violação da banda de variação de tensão permitida por norma. Devido ao fato de que a inserção de potência ativa em redes rurais é o principal fator de variação da tensão no PC, resultados experimentais são apresentados para validar a teoria desenvolvida e comprovar a eficácia do sistema projetado. / This work presents the power control in a double fed induction generator (DFIG) used in a wind turbine, aiming the control of active and reactive power to minimize the voltage variations in rural networks. With the insertion of these renewable energy sources in the low voltage distribution system, it is fundamental to analyze the impacts on the quality of energy at the point of connection (PC) and to implement adequate control to attend the technical requirements of the distribution procedures established by standard. An equation is presented to relate the voltage variation to the injected power in a low voltage distribution network. A typical rural network is emulated in this work to analyze this impact on the voltage variation in remote areas. The system uses traditional PI control meshes for rotor currents and active and reactive power mesh, and the references are then set to help prevent a violation of the allowable voltage variation band as per standard. Due to the fact that the insertion of active power in rural networks is the main factor of variation of the voltage in the PC, experimental results are presented to validate the developed theory and to prove the efficiency of the designed system.

CAPES; CNPq / Este trabalho apresenta uma proposta de metodologia para detecção e classificação de falhas em motores de indução trifásicos ligados diretamente à rede elétrica. O método proposto é baseado na análise dos sinais de corrente do estator, com e sem a presença de falhas nos rolamentos, estator e rotor. Um dos efeitos desses tipos de falhas é o aparecimento de componentes de frequência específicas, relacionados à velocidade de rotação da máquina. Os sinais foram analisados usando a decomposição wavelet-packet, que permite a avaliação dos sinais em bandas de frequência de tamanhos variáveis. A partir dessa decomposição, aplicaram-se medidas de previsibilidade, como entropia relativa, potência de previsão e variância de erro normalizada, obtida com a análise de componentes previsíveis. Com essas medidas, foi possível verificar quais componentes da decomposição são mais previsíveis. Neste trabalho, a variância de erro normalizada e a potência de previsão foram utilizadas como entradas para três topologias de redes neurais artificiais classificadoras: perceptron multicamadas, redes de funções de base radial e mapas auto-organizáveis de Kohonen. Foram testados seis diferentes vetores de entrada para as redes neurais, utilizando medidas de previsibilidade e número de elementos dos vetores variados. Os ensaios foram realizados considerando amostras de sinal de diferentes motores, com vários tipos de falha, operando sob diversos regimes de torque e condições de desequilíbrio de tensão. Primeiramente, os sinais foram classificados em dois padrões: com e sem a presença de falhas. Posteriormente, detectou-se o tipo de falha presente nos sinais: rolamento, estator ou rotor. Por último, as amostras foram classificadas dentro do subgrupo de falha em que estavam presentes. / This work presents a methodology for diagnosis and classification of faults in three-phase induction motors connected directly to the power grid. The proposed method is based on the analysis of the stator current signals, with and without the presence of faults in the bearings, stator and rotor. These faults cause the presence of specific frequency components that are related to the machine rotational speed. The signals were analyzed using wavelet-packet decomposition, which allows a multiresolution evaluation of the signals. Using this decomposition, we estimated some predictability measures, such as relative entropy, predictive power and normalized error variance, obtained with the predictability component analysis. With this measures, we verified which were the most predictable components. In this work, normalized error variance and the predictive power were used as inputs to three topologies of artificial neural networks used as classifiers: multilayer perceptron, radial basis function and Kohonen self-organizing maps. We tested six different input vectors to the artificial neural networks, in which we vary the predictability measures and the number of elements of the vectors. The studies were performed considering samples of signals from different motors, with various kinds of faults, working under several load conditions and with voltage unbalance. The signals were firstly classified in two patterns: with and without the presence of faults. After, we detected the kind of fault was present in the signal: bearing, stator or rotor fault. Last, the samples were classified inside the subgroup in which they were.

Este trabalho apresenta a análise teórica e experimental do gerador assíncrono de dupla alimentação, denominado GEADA ao longo deste trabalho, operando em regime permanente com velocidade não fixa, mas com freqüência da armadura constante. Compreende o escopo do trabalho a análise teórica a partir do circuito equivalente do gerador, a análise teórica e experimental da curva de magnetização do GEADA operando em freqüência do rotor variável, uma proposta de adaptação da curva de capacidade aplicada na operação dos geradores síncronos para o GEADA e a sua análise considerando-o como máquina síncrona a partir dos seus terminais, os ensaios normalizados e complementares necessários para o levantamento dos parâmetros para este circuito equivalente e ensaios do GEADA operando com carga para verificação de seu desempenho Os resultados obtidos permitem um melhor entendimento desse sistema de geração, de suas condições de operação e utilização em sistemas de geração de velocidade não fixa como, por exemplo, sistemas eólicos e hidrelétricos. / The study presents the theoretical and experimental analysis of the double fed asynchronous generator, called GEADA, operating in steady state with non-fixed speed but with constant armature frequency. It comprehends the theoretical analysis based on the equivalent circuit of this generator, the theoretical and experimental analysis of the curve of magnetization of the GEADA operating with variable rotor frequency. A proposal of adaptation of the capability curve applied in the operation of the synchronous generators for the GEADA is also presented, its analysis considering it as a synchronous machine from its terminals, the standard and complementary tests necessary for the calculation of the parameters for the equivalent circuit and the tests with the GEADA operating under on-load conditions to verify its performance. The achieved results allow a better understanding of this generation system, its operational conditions and applicability to the power generation systems based on variable speed, such as wind and hydroelectric power plants.

O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um núcleo do rotor de um motor universal a partir dos processos da metalurgia do pó (M/P). O rotor desta máquina, cujo núcleo é originalmente fabricado em chapas laminadas, foi substituído por um rotor com núcleo em bloco maciço, mantendo-se as demais partes como eixo e escovas. A partir de simulações no software FEMM e dados existentes referentes ao desempenho de ligas metálicas sinterizadas como Fe-P, Fe-Si e Fe-Ni, foi selecionado o Fe1%P, que apresentou os melhores resultados para a aplicação na máquina elétrica em questão. Foram feitas simulações relacionadas às características eletromagnéticas e a partir dos resultados obtidos puderam-se fazer comparações entre um rotor convencional, fabricado com núcleo de chapas laminadas e o rotor com o núcleo maciço fabricado utilizando-se a metalurgia do pó. As etapas de fabricação consistem em mistura da liga, compactação, sinterização e forma final através de eletroerosão. A máquina foi montada utilizando a estrutura de um motor de furadeira manual comercial, mantendo-se todas as partes da máquina original com exceção do núcleo do rotor, e posteriormente foi testada em bancada, comparativamente a uma máquina convencional para análise dos resultados. Foi possível a substituição do rotor oriundo de placas laminadas por um rotor oriundo de metalurgia do pó. Os resultados dos ensaios com a máquina fabricada comprovaram que a liga Fe1%P é, comparativamente ao núcleo de chapas convencional, tecnicamente inferior para a fabricação de motores universais. Utilizando a liga Fe1%P seu rendimento foi de 7% contra 27% do motor convencional assim como torque e demais parâmetros ficaram abaixo do motor padrão. / The main objective of this work was the development of a rotor core of a universal motor from the processes of powder metallurgy (M/P). The rotor of this machine, whose core is originally manufactured in laminated plates, was replaced by a rotor core with solid block, keeping the other parts like shaft and brushes. From the software FEMM simulations and existing data regarding the performance of sintered alloys such as Fe-P, Fe-Si and Fe-Ni, was selected Fe1%P, which showed the best results for application in electric machine in question. Simulations were made related to the electromagnetic characteristics and from the results of comparisons could be made between a conventional rotor, made of rolled core and the solid core rotor is manufactured using powder metallurgy. The manufacturing steps comprise of mixing the alloy, compacting, sintering and final form by electro erosion. The machine structure was assembled using a hand drill motor trade, keeping all parts of the original machine except the rotor core, and thereafter the machine was tested on bench, compared to a conventional machine to analyze the results. It was possible to replace the rotor coming from a rotor laminated plates derived from powder metallurgy. The results of the tests made with the machine shown that the alloy Fe1% P is compared to a conventional core plates, technically inferior to manufacture universal motors. Using the league Fe1%P its yield was 7% versus 27% of the conventional engine as well as torque and other parameters were below the standard engine.

Este estudo identifica as vantagens do uso de um estator fabricado usando a tecnologia da metalurgia do pó, identificando suas vantagens e desvantagens. O motor elétrico utilizado é um motor do tipo universal originalmente o estator desta máquina, possui o núcleo fabricado em chapas laminadas, este foi substituído por um estator com núcleo em bloco maciço, mantendo-se as demais partes do motor originais, ou seja, nestes testes o rotor bobinado continuará a utilizar chapas laminadas e escovas originais. Motores elétricos foram desenvolvidos no início do século XIX e desde então vem sendo utilizado em larga escala com mudanças pouco significativas na sua forma construtiva, materiais e processo de fabricação. Neste trabalho o principal objetivo foi o desenvolvimento de um núcleo do estator para motor universal a partir dos processos da metalurgia do pó (M/P). Simulações com o software FEMM identificaram o comportamento de várias ligas (Fe-P, Fe-Si e Fe-Ni). Após análise dos dados da simulação foi selecionado o Fe1%P, por ter apresentado os melhores resultados para a aplicação na máquina elétrica em questão. As simulações permitiram comparações dos parâmetros eletromagnéticos e torque, entre estatores utilizando chapas de silício do motor original e estatores de núcleo maciço com dados das ligas experimentadas fabricadas através da metalurgia do pó. A fabricação destes núcleos consiste nas misturas da liga, compactação utilizando matriz para formato desejado, sinterização e acabamentos através de usinagem e eletroerosão. Foi utilizada uma furadeira manual comercial, testada em bancada para levantamento detalhado a fim de caracterizar as propriedades que definem a eficiência do equipamento com o estator original. Os mesmos testes foram conduzidos apenas substituindo o estator, agora de núcleo maciço. Processo de fabricação através da metalurgia do pó permite um menor consumo de material e energia, sendo este um processo muito mais eficiente quando comparado ao processo de fabricação das chapas laminadas de ferro silício. / This study will identify the advantages of using a fabricated stator using the technology of powder metallurgy, identifying its advantages and disadvantages. The electric motor used is a universal type motor, originally the stator core of this machine are made of laminated plates, this was replaced by a stator core with solid block , keeping the remaining parts of the original machine, ie these tests the wound rotor continued to use rolled sheet and original brushes. Electric motors were developed in the early of 19th century, and has since been used in large scale with little significant changes in its constructive form, materials and manufacturing process. This work has as main goal the development of a stator core for universal motor from the processes of powder metallurgy (M/P). Simulations with the FEMM software identified the behavior of various alloys (Fe-P, Fe -Si and Fe-Ni) .After data analysis of the simulation was selected Fe1%P, for having presented the best results for the application in the electric machine in question. The computer simulations of electromagnetic parameters and comparisons torque between stator plates using the original silicon motor stators and solid core of data experienced alloys manufactured by powder metallurgy. The manufacture of these core constitutes mix league, using compression matrix to desired shape, sintering and finishing by machining and EDM. Trade manual drill was used, tested on bench for detailed study to characterize the properties that define the efficiency of the equipment to the original stator. The same tests were conducted just by replacing the stator, now solid core. Manufacturing process by powder metallurgy allow less consumption of material and energy, this is a much more efficient process compared to the process of manufacturing the laminated silicon iron sheets.