Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-05-02T04:14:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345508.pdf: 3912458 bytes, checksum: 3dd31a82f6d2f007f1230ce752b9a02b (MD5) Previous issue date: 2017 / O presente trabalho aborda o projeto de motores síncronos com ímãs permanentes, em específico os motores de corrente contínua sem escovas (BLDC). Os motores de ímãs permanentes, se comparados aos de indução, são de melhor desempenho, o que justifica as suas utilizações. Com a preocupação de se obter um projeto competitivo no mercado, a técnica de otimização também é abordada nas etapas de projeto. É realizado o projeto de um motor de pequeno porte o qual é otimizado considerando o modelo térmico. Para verificar a eficácia do método e validar os resultados, os dados de saída da otimização são validados pelo método dos elementos finitos. Aspectos como combinação do número de ranhuras e polos, esquema de bobinagem, harmônicas, perdas, indutâncias e influência da comutação no torque também são abordados, o que permite realizar uma melhor análise do projeto para que soluções mais eficientes, econômicas e sustentáveis possam ser propostas.<br> / Abstract : This work discusses the design of permanent magnet synchronous motors, in particular the brushless direct current motors (BLDC). Permanent magnet motors when compared to induction motors present better performance justifying their use. In order to obtain a competitive design, an optimization technique is also discussed. The design of a small motor is optimized considering the thermal model. Finite Element simulations are performed to verify the effectiveness of the design methodology and validate the optimization procedure. Aspects such as combinations of slots and poles numbers, winding scheme, harmonics, losses, inductances and influence of switching in torque are also discussed allowing a better design for more efficient, economic and sustainable solutions.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-02-06T03:19:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 350318.pdf: 4408374 bytes, checksum: eeeaa987584b830e3d86021610930a57 (MD5) Previous issue date: 2017 / Os Geradores Síncronos Trifásicos de Polos Salientes (GSTPS) são equipamentos de grande importância para o ramo de geração de energia elétrica estando amplamente consolidados na área de sistemas elétricos de potência. O desempenho desta máquina pode ser analisado através de um conjunto de parâmetros que permite a modelagem da mesma. Este trabalho tem como objetivo determinar os valores dos parâmetros de circuito equivalente e dos parâmetros elétricos em regime permanente de GSTPS. Apresenta-se a comparação e a análise dos valores dos parâmetros de GSTPS obtidos por metodologia analítica, simulação numérica via método de elementos finitos (MEF) e através de ensaios experimentais definidos em normas. Os resultados por metodologia analítica e MEF são obtidos através de dados de projeto e os resultados experimentais são obtidos através dos ensaios realizados na máquina real. Inicialmente, apresentam-se as equações para o cálculo analítico e é desenvolvida uma metodologia de cálculo de GSTPS. Posteriormente, apresentam-se os ensaios experimentais realizados para a obtenção dos valores dos parâmetros da máquina. Em seguida, apresenta-se a comparação dos valores dos parâmetros calculados analiticamente e via MEF. Por fim, os valores dos parâmetros obtidos analiticamente, pelo MEF e através de ensaios são comparados, sendo que os resultados apresentam-se coerentes. A análise dos resultados apresenta as possíveis causas de discordâncias, além da verificação experimental dos conceitos de cálculo analítico de GSTPS. / Abstract : Three-phase salient-pole synchronous generators (GSTPS, in Portuguese) have a great importance to the field of electric power generation and are widely consolidated in the area of electric power systems. The performance of these machines can be analyzed through a set of parameters that allow its modeling. This work aims at the determination of the equivalent circuit parameters and other electrical parameters at of GSTPS steady-state. These parameter values are obtained through three approaches, whose resulting values are analyzed and compared: analytical methodology; numerical simulation employing the finite element method (FEM); experimentally through standard tests. The analytical methodology and the FEM employ project data, while the experimental data are obtained from tests on the real machine. Initially, the equations for the analytical calculation are presented, and a calculation methodology for GSTPS is developed. The experimental tests performed to obtain the parameters of the machine are also presented. The results from different methods allow a comparative analysis of the parameters obtained from the same available geometry, which show a coherent agreement. Finally, the analysis indicates the possible causes of deviation between results, as well as the experimental verification of the concepts of analytical calculation of GSTPS.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T20:48:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 257102.pdf: 1052118 bytes, checksum: 1b766deb63f0c24eaf0752dc89dbf0dc (MD5) / A força magnética de atração entre estator e rotor presente em máquinas síncronas é um tópico bastante debatido na comunidade de profissionais que lidam com estes equipamentos. O desequilíbrio destas forças de origem magnética leva a um desbalanceamento do rotor, principalmente vinculado à não uniformidade do entreferro, comumente caracterizada por uma excentricidade do rotor em relação ao estator. Este fenômeno é conhecido como "Empuxo Magnético" Desbalanceado (UMP - Unbalanced Magnetic Pull). Todavia, o estudo de um procedimento para mitigar esse efeito, com a inclusão de conexões equipotenciais, tem sido pouco explorado. A adição de tais conexões conduz a um aumento das correntes de circulação entre os circuitos paralelos do enrolamento estatórico, alterando desta maneira a força magnetomotriz de reação da armadura (FMRA). O produto da FMRA com a permeância específica do entreferro leva a uma distribuição de densidade de fluxo magnético de reação da armadura, que conjugada com a distribuição de densidade de fluxo magnético de excitação produzida pelos pólos, define a indução magnética resultante no entreferro. Sendo as forças magnéticas de atração diretamente proporcionais ao quadrado da indução magnética resultante no entreferro, a alteração em seus valores ao longo da circunferência do rotor, com o auxílio das conexões eqüipotenciais, conduz a uma mitigação do empuxo magnético desbalanceado. Além de discorrer sobre os fenômenos presentes no cálculo das forças de atração, apresenta-se também como a distribuição dos enrolamentos estatóricos e de seus caminhos paralelos influem na FMRA, na indução magnética resultante e conseqüentemente no UMP. A metodologia desenvolvida foi aplicada a um caso real e seus resultados teóricos são apresentados. Sua implementação prática esta sendo executada como parte de um projeto de pesquisa e desenvolvimento conjunto da Companhia Energética de São Paulo com a Alstom Hydro Energia Brasil Ltda.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-05-02T04:07:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345238.pdf: 3074374 bytes, checksum: 9cbf1bee316322ad8bd16d2f96f57c88 (MD5) Previous issue date: 2016 / Este trabalho apresenta o dimensionamento elétrico e magnético de um gerador síncrono de ímãs permanentes de fluxo magnético radial que será acoplado em um dispositivo de conversão eletromecânica de energia, cuja energia primária é proveniente do movimento das ondas do mar. Primeiramente, calcula-se a geometria do rotor e do estator a partir de especificações das induções magnéticas, da tensão tangencial do rotor, da densidade máxima de corrente nos enrolamentos, e das características elétricas do gerador na condição nominal. Em seguida, aplica-se uma técnica de otimização a fim de maximizar a potência transferida no entreferro considerando como restrição o valor máximo de densidade linear de corrente do gerador na condição nominal. A otimização permite redimensionar a geometria do estator e diminuir a massa de aço elétrico utilizado, reduzindo assim o custo do gerador. Com a geometria e os materiais definidos, realiza-se a modelagem do gerador usando o método de elementos finitos para verificar se as grandezas como induções magnéticas, força eletromotriz induzida (em vazio), tensões elétricas (com carga), e torque eletromagnético atendem as especificações do projeto. Analisando os resultados das simulações, conclui-se que as induções da máquina estão em faixas de operação aceitáveis e que não há saturação magnética no gerador na condição nominal, e que as condições de potência e torque especificadas são atendidas.<br> / Abstract : This work presents the electric and magnetic sizing of a permanent magnet synchronous generator of radial flux, which will operate coupled to an electromechanical device for energy conversion whose primary source of power are sea waves. Initially, the rotor and stator geometry is calculated based on specifications of magnetic induction, rotor tangential tension, maximum current density on windings and electrical characteristics of the generator at rated condition. Then, an optimization technique is employed to maximize the air-gap power, considering as a restriction the maximum value of current linear density of the generator at rated condition. The optimization process allows the adjustment of the stator geometry in order to reduce the weight of the magnetic core, thus reducing the cost of the generator. Once the geometry and the materials are defined, the generator is modeled through the finite element method in order to verify if the values of magnetic induction, induced voltage at no load condition, voltage under load and electromagnetic torque meet the project specifications. From the analysis of the simulation results it is concluded that the values of magnetic induction stand within acceptable operating ranges without magnetic saturation and that the specified power and torque conditions are met.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:15:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 320896.pdf: 4376990 bytes, checksum: 3a26c6e64b142b9ccf2666f131cd035c (MD5) Previous issue date: 2013 / Apresenta-se nessa dissertação um estudo das reatâncias não saturadas de máquinas síncronas de polos lisos laminados, considerando-se duas configurações diferentes de rotores. Em uma primeira configuração o enrolamento amortecedor é distribuído simetricamente ao longo de toda a periferia do rotor, enquanto que na segunda o enrolamento amortecedor é distribuído somente sobre os polos do rotor. O objetivo principal desse estudo é determinar as reatâncias não saturadas dessas duas configurações de máquinas síncronas de polos lisos a partir de cálculos analíticos que consideram a geometria e dados de bobinagem da máquina em questão. A fabricação de dois geradores, considerando ambas configurações, e os ensaios realizados nos mesmos, foram utilizados na análise e validação dos cálculos analíticos. <br> / Abstract : This dissertation presents an unsaturated reactance investigation for non salient poles synchronous machines, considering two different configurations of laminated cylindrical rotors. In the first configuration the damper winding is distributed symmetrically along the entire periphery of the rotor, while in the second one the damper winding is distributed only on the poles of the rotor. The main objective of this study is to determine the unsaturated reactances of both configurations of non salient poles synchronous machines by means of analytical calculations that take into account the geometry and windings of the machine. The manufacture of two generators, considering both settings, and the tests performed were essential for analysis and validation of analytical calculations.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:07:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 339517.pdf: 4506401 bytes, checksum: 1d7f725475111508399642b04f924a6f (MD5) Previous issue date: 2016 / Atualmente, os geradores síncronos produzem praticamente toda a energia elétrica consumida no país. Por se tratar de um ativo importante às empresas geradoras de energia elétrica, sua monitoração a fim de programar manutenções preventivas e preditivas fornece segurança nas operações e aumenta o grau de confiabilidade do sistema elétrico. Neste trabalho, desenvolveu-se um equipamento para monitoração destas máquinas através do campo magnético externo. Para o desenvolvimento do equipamento utilizou-se hardware e software apropriados para tratar sinais de baixíssimas amplitudes. O objetivo do equipamento é registrar eventos que aconteçam no gerador síncrono que podem advir de faltas incipientes na máquina. Apresenta-se uma descrição do desenvolvimento do equipamento bem como resultados obtidos com uma versão inicial do equipamento instalada na usina hidroelétrica de Itá. Medições efetuadas em uma bancada na universidade e com o equipamento instalado na usina de energia elétrica são apresentadas e discutidas.<br> / Abstract: Nowadays, synchronous generators produce roughly the electricity consumed in the country. Because it is an important asset to companies that generate electricity, its monitoring to schedule preventive maintenance provides security operations and enhances the reliability of the electrical system. In this work, we developed a device for monitoring these machines through the external magnetic field. For the development of the equipment used is appropriate hardware and software to handle signals of very low amplitude. The purpose of the equipment is to record events that occur in the synchronous generator that can come of incipient faults in the machine. It presents a description of the development of the equipment as well as results with an early version of the equipment installed in a hydroelectric power plant. Measurements made on a workbench at the university and with the equipment installed in the power plant are presented and discussed.

Neste trabalho, investigamos um algoritmo para estimação dos parâmetros de geradores síncronos baseado em análise de sensibilidade de trajetórias. Os parâmetros são estimados através da resolução de um problema de otimização não-linear de mínimos quadrados. Medidas são comparadas com as soluções obtidas dos modelos dinâmicos do gerador e o algoritmo busca minimizar a diferença entre as medidas e a saída do modelo matemático. As medidas foram obtidas de forma artificial por intermédios de simulações computacionais, admitindo-se não somente as dinâmicas transitórias da máquina, mas também considerando as dinâmicas sub-transitórias. O algoritmo proposto é adequado para medidas acessíveis em campo e permite estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações do sistema sem a necessidade da desconexão da máquina do sistema. A principal contribuição deste trabalho é a proposição de uma nova modelagem empregada para estimar os parâmetros do gerador síncrono. Para isto, propõe-se um modelo simplificado, modificado do modelo de dois eixos do gerador, que utiliza a corrente de campo do gerador como uma das entradas. Este modelo é constituído por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EADs) que contém uma equação algébrica de balanço de corrente. Esta equação elimina a necessidade de medidas de variáveis de difícil acesso. O algoritmo proposto foi testado com dados obtidos de simulações dinâmicas realizadas a partir de um sistema teste com resultados satisfatórios. Os resultados obtidos são analisados frente a resultados obtidos também para o modelo de dois eixos utilizando a tensão de campo como uma entrada. Através destes resultados é possível observar a possibilidade de sua utilização em aplicações reais. / In this work, we investigate an algorithm for estimating parameters of synchronous generators based on trajectories sensitivity analysis. The parameters are estimated by solving a nonlinear optimization problem of least squares. Measurements are compared with the solutions obtained from the dynamic model of the generator and the algorithm seeks to minimize the difference between the measurements and the output of the mathematical model. Measurements were obtained artificially by means of simulations, assuming not only the transient dynamics of the machine, but also considering the subtransient dynamics. The proposed algorithm is suitable for accessible measurements in the field and allows the estimation of parameters from measurements of system disturbances, without the necessity of disconnecting the machine from the system. The main contribution of this work is to propose a new generator model to estimate the parameters of the synchronous generator. To this end, a simplified model is proposed. This model is a modification of the two-axis model of the generator, which uses the generator field current as an input of the model. This model consists of a set of differential-algebraic equations (DAEs) containing an algebraic equation of balance of current. This equation eliminates the need of measuring variables that are difficult to access. The proposed algorithm has been tested with data obtained from dynamic simulations conducted from a test system with satisfactory results. The results has been analysed against the results of the two-axis model using the generator field voltage as an input of the model. These results indicate the possibility of application in real machines.

Este trabalho tem por objetivo estudar e avaliar uma técnica de determinação de posição inicial de rotor em máquinas síncronas de ímã permanente de superfície. A técnica de determinação de posição inicial é baseada na aplicação de pulsos ao motor. É proposto também um algoritmo de ajuste automático desses pulsos de forma a criar um mecanismo genérico de determinação de posição inicial de ângulo de rotor para o tipo de máquina em estudo. Simulações são realizadas de forma a garantir funcionamento correto do algoritmo que foi implementado em código C com matemática de ponto fixo. A implementação foi realizada utilizando-se um microcontrolador comercial de baixo custo que não possui hardware para aritmética de ponto flutuante. Um descritivo detalhado da implementação, do sistema de testes e resultados são apresentados ao longo do texto. / This work aims the study and evaluation of a rotor initial angle estimation technique in surface mounted permanent magnet synchronous machine. The technique of the rotor initial angle estimation is based on pulse injection to the motor. It is also proposed in this work an automatic pulse adjustment algorithm in order to create a generic mechanism to estimate rotor initial angle for the machine type under study. Simulations are performed in order to ensure the proper functionality of the algorithm which was implemented in C code with fixed point mathematics. The implementation was performed using a comercial low cost microcontroller which does not have floating point arithmetic capability. A detailed description of the implementation, test system and results are presented in this text.

Neste trabalho, investigamos um algoritmo para estimação dos parâmetros de geradores síncronos baseado em análise de sensibilidade de trajetórias. Os parâmetros são estimados através da resolução de um problema de otimização não-linear de mínimos quadrados. Medidas são comparadas com as soluções obtidas dos modelos dinâmicos do gerador e o algoritmo busca minimizar a diferença entre as medidas e a saída do modelo matemático. As medidas foram obtidas de forma artificial por intermédios de simulações computacionais, admitindo-se não somente as dinâmicas transitórias da máquina, mas também considerando as dinâmicas sub-transitórias. O algoritmo proposto é adequado para medidas acessíveis em campo e permite estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações do sistema sem a necessidade da desconexão da máquina do sistema. A principal contribuição deste trabalho é a proposição de uma nova modelagem empregada para estimar os parâmetros do gerador síncrono. Para isto, propõe-se um modelo simplificado, modificado do modelo de dois eixos do gerador, que utiliza a corrente de campo do gerador como uma das entradas. Este modelo é constituído por um conjunto de equações algébrico-diferenciais (EADs) que contém uma equação algébrica de balanço de corrente. Esta equação elimina a necessidade de medidas de variáveis de difícil acesso. O algoritmo proposto foi testado com dados obtidos de simulações dinâmicas realizadas a partir de um sistema teste com resultados satisfatórios. Os resultados obtidos são analisados frente a resultados obtidos também para o modelo de dois eixos utilizando a tensão de campo como uma entrada. Através destes resultados é possível observar a possibilidade de sua utilização em aplicações reais. / In this work, we investigate an algorithm for estimating parameters of synchronous generators based on trajectories sensitivity analysis. The parameters are estimated by solving a nonlinear optimization problem of least squares. Measurements are compared with the solutions obtained from the dynamic model of the generator and the algorithm seeks to minimize the difference between the measurements and the output of the mathematical model. Measurements were obtained artificially by means of simulations, assuming not only the transient dynamics of the machine, but also considering the subtransient dynamics. The proposed algorithm is suitable for accessible measurements in the field and allows the estimation of parameters from measurements of system disturbances, without the necessity of disconnecting the machine from the system. The main contribution of this work is to propose a new generator model to estimate the parameters of the synchronous generator. To this end, a simplified model is proposed. This model is a modification of the two-axis model of the generator, which uses the generator field current as an input of the model. This model consists of a set of differential-algebraic equations (DAEs) containing an algebraic equation of balance of current. This equation eliminates the need of measuring variables that are difficult to access. The proposed algorithm has been tested with data obtained from dynamic simulations conducted from a test system with satisfactory results. The results has been analysed against the results of the two-axis model using the generator field voltage as an input of the model. These results indicate the possibility of application in real machines.