Dans ce travail nous cherchons à développer des algorithmes de commande adaptés au fonctionnement à haute vitesse d’une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) et de son onduleur en optimisant l’efficacité énergétique de l’ensemble. Bien que la vocation soit très large, le domaine de la traction électrique est priorisé. Les MSAP tournant à haute vitesse sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques en raison de leur forte densité de puissance. La haute vitesse implique une force électromotrice élevée et requiert la réduction du flux (défluxage) dans l’entrefer. Lors d’un fonctionnement de la machine en régime défluxé, si la contribution de l’aimant peut-être totalement compensée alors nous pouvons utiliser une stratégie Maximum Torque Per Volt (MTPV) pour générer les consignes de courant qui respectent les limites électriques théoriques quelle que soit la vitesse de rotation de la machine. En l’absence de boucle de vitesse, le couple de référence doit être limité aux points de fonctionnement atteignables, calculés en fonction des limites de courant (limites onduleur et machine), tension (batterie) et puissance (batterie et partie mécanique). Nous proposons ainsi dans cette thèse de calculer les références de courant avec une stratégie MTPA (Maximum Torque Per Ampere) à basse vitesse et d’utiliser un algorithme de défluxage basé sur une régulation de la norme de la tension associée à une stratégie MTPV à haute vitesse sans commutation d’algorithme mais par une action continue sur la valeur de la saturation de courant. Concernant la boucle de courant nous réalisons une commande numérique dans le repère d-q qui tient compte de la discrétisation, du retard (dû au temps de calcul), et du fort couplage inter-axes à haute vitesse sous des critères de précision, stabilité et rapidité. Nous étudions les stratégies de découplage minimal et de découplage discret avec prédiction de la variation du courant. Les approches par régulateurs avec structure RST et par commande prédictive-optimale sont développées. Une prédiction de la position réelle du rotor est incluse afin de conserver la stabilité à haute vitesse. Finalement nous réalisons une maquette avec une MSAP à échelle réduite sur laquelle nous testons ces stratégies de commande. Nous validons par expérience que l’algorithme proposé dans la thèse est capable de piloter la machine à haute vitesse en respectant les limites électriques et nous vérifions qu’il améliore les performances (couple, vitesse maximale, pertes) obtenues à haute vitesse. / In this work we search to develop control algorithms adapted to the high speed operation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and its inverter by optimizing the energy efficiency of the set. Although the vocation is very broad, the field of electric traction is prioritized. High speed PMSMs are increasingly used in electrical vehicles because of their high power density. The high speed implies a high electromotive force and requires the reduction of the flux (fluxweakening) in the air gap. When the motor is running in flux-weakening mode, if the contribution of the magnet can be fully compensated then we can use a Maximum Torque Per Volt (MPTV) strategy to generate the current references that meet the theoretical limits regardless of the machine rotation speed. In the absence of a speed loop the reference torque must be limited to the achievable operating points, calculated according to the current limits (inverter and machine limits), voltage (battery) and power (battery and mechanical part). We propose in this thesis to calculate the current reference with Maximum Torque Per Ampere (MTPA) strategy at low speed and to use a flux-weakening algorithm based on a regulation of the voltage norm associated with a MTPV strategy at high speed without switching algorithms but by a continuous action on the value of the current saturation. Concerning the current loop, we carry out a numerical control in the d-q frame which takes into account the discretization, the delay (due to the computation time), and the high inter-axis coupling at high speed under criteria of precision, stability and speed. We study the strategies of minimal decoupling and discrete decoupling with prediction of the variation of the current. The approaches by regulators with RST structure and predictive-optimal control are developed. A prediction of the actual rotor position is included to maintain the stability at high speed. Finally a real model with a reduced scale PMSM is realized on which these control strategies are tested. We validate by experiment that the algorithm proposed in the thesis is able to control the machine at high speed respecting the electrical limits and verify that it improves the performances (torque, maximum speed, losses) obtained at high speed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The increase in linear and non-linear loads experienced by Brazil in recent years has changed the way distribution networks are planned and Operated. In addition, the competitiveness of the market and the demand for the improvement in power quality indexes mean that current e orts are increasingly focused on areas such as voltage profile control and voltage harmonic distortion control. This work deals, exactly, with the Integrated control of voltage and harmonic voltage distortion (volt/thd) in distribution systems, within the scope of planning, through the insertion of passive harmonics filters and voltage regulators. To solve the problem in question, a multiobjective algorithm, the NSGA-II, is applied, since the presented problem can be treated as a combinatorial optimization problem. The power summation method is used as an alternative for the resolution of the load flow. While the current injection method is used as a calculation of the harmonic flow. The mathematical models of the network components were presented, taking into account the influence of frequency, in a detailed way. The proposed algorithm was applied in benchmark systems, a 34-bus and a 104-bus, the systems were simulated with and without the presence of the devices for comparison and validation of the results. / O aumento de cargas, lineares e não-lineares, vivenciado pelo Brasil nos últimos anos, tem alterado a maneira com as redes de distribuição são planejadas e operadas. Além disso, a competitividade do mercado e exigência pela melhoria nos índices de qualidade da energia fazem com que os esforços atuais sejam cada vez mais direcionados para áreas como o controle do perfil de tensão e o controle das distorções harmônicas de tensão. Esta dissertação trata, exatamente, do controle integrado de tensão e distorção harmônica de tensão (volt/dht) em sistemas de distribuição, no âmbito do planejamento, através da inserção de filtros harmônicos passivos e reguladores de tensão. Para resolver o problema em questão, um algoritmo multiobjetivo, o NSGA-II, é aplicado, uma vez que o problema apresentado é tratado como um problema de otimização combinatória. O método da soma de potências é utilizado como alternativa para a resolução do fluxo de carga. Enquanto que o método da injeção de correntes é utilizado como cálculo do fluxo de harmônicos. Os modelos matemáticos dos componentes da rede foram apresentados, levando-se em consideração a influência da frequência, de forma detalhada. O algoritmo proposto foi aplicado em sistemas teste de 34 e 104 barras e os sistemas foram simulados com e sem a presença dos dispositivos para efeito de comparação e validação dos resultados.

Atualmente, as concessionárias de energia enfrentam vários desafios na tentativa de fornecer energia com qualidade e confiabilidade, por exemplo, redes de distribuição com pouco monitoramento e controle, envelhecimento dos ativos, atender a crescente demanda dos consumidores e satisfazer padrões de qualidade, entre outros. No Brasil, para atingir os índices de qualidade no fornecimento de energia estabelecidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), tem-se como alternativa aumentar a inteligência da rede com sistemas de tecnologia de informação (TI), além de utilizar Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IEDs), medidores inteligentes e sensores. Adicionalmente é necessário o emprego de uma infraestrutura de comunicação que forneça uma visibilidade abrangente das condições de carga e do estado do sistema de distribuição, permitindo fazer uso de técnicas de otimização e tomada de decisão para aumento da inteligência. O controle da tensão e o gerenciamento da potência reativa (Volt/VAr) são práticas de automação que podem ser empregadas nos sistemas de distribuição. Estas práticas ajudam a aumentar o benefício, a confiabilidade e a eficiência no fornecimento da qualidade do produto, minimizando os custos de operação e manutenção nas concessionárias. Na presente dissertação foi desenvolvida uma metodologia de controle Volt/VAr descentralizado (subestação), por meio da coordenação e controle dos transformadores com mudança de tap sob carga - LTC, dos bancos de capacitores localizados na subestação e ao longo dos alimentadores, bem como dos reguladores de tensão instalados ao longo dos alimentadores. Destaca-se a utilização da técnica de Estimação de Estados, a qual possibilita o uso da metodologia de controle Volt/VAr em tempo real. O algoritmo de otimização desenvolvido neste trabalho foi implementado através de simulações numa rede teste e numa rede real que permitem mostrar o potencial da formulação matemática desenvolvida. Os resultados da metodologia proposta comprovam a melhoria do perfil de tensão dos alimentadores da rede testada ao longo do dia, assim como uma diminuição das perdas técnicas, as quais chegaram a diminuir 7% em energia. Estes resultados foram alcançados sem ultrapassar a quantidade de operações definidas por dia nos diferentes dispositivos de controle. / Currently, power utilities face challenges in order to provide energy considering minimum requirements of power quality and reliability due to the absence of control and monitoring infrastructure, aging assets, growing demand, amongst others. In Brazil, the Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) establishes specific power quality and reliability indices. Power utilities should attend the limits for those indices by improving intelligence of network using IT systems, installing Intelligent Electric Devices (IEDs), smart meters and sensors, amongst others. Additionally, communication infrastructure is needed to provide the monitoring of load conditions and distribution system state. Optimization and decision-making tools are important for developing smart grids. Voltage control and reactive power management (Volt/VAr) are automation techniques that can be used in distribution systems. These practices lead to benefits for the utilities such as improvement of reliability and efficiency of the system, minimization of operation and maintenance costs, amongst others. In the present dissertation a methodology for decentralized control (Volt/VAr) was developed, through the coordination and control of load tap changers (LTCs) in power transformers and capacitors banks located at the substation, as well as capacitor banks and voltage regulators scattered throughout the feeders. State Estimation was utilized, which allows the application of the Volt/VAr Control methodology in real time environment. The optimization algorithm developed in this work was implemented through simulations in a test network and in a real network which validated the proposed methodology showing the potentiality of the mathematical model. The results of the proposed method showed voltage profile improvement over the day for the network tested as well as a 7% decrease in power energy losses. These results were achieved without exceeding the number of operations per day defined for all control devices.

Diploma thesis deals with the use of organic materials in photovoltaic applications and the study of their electric and dielectric properties. The theoretical part of thesis deals issue of the use of organic polymeric materials in photovoltaics and their advantages and disadvantages. Next are the results of various studies of organic solar cells by other authors. In the practical part of the work are shown experimental results (volt-ampere characteristics and impedance spectra) of samples of organic semiconductors and their evaluation.

Este trabalho analisa a necessidade da aplicação dos compensadores estáticos de reativos em sistemas elétricos industriais e em sistemas de potência. Vários tipos de compensadores de reativos são apresentados e também é feita uma comparação entre eles. O trabalho está centralizado no estudo dos compensadores estáticos tiristorisados, principalmente o Reator Controlado a Tiristores (RCT) e o Capacitor Chaveado a Tiristores (CCT). São discutidas as influências de alguns parâmetros nas formas de onda do RCT. É feita a dedução das equações das componentes harmônicas de corrente e tensão do RCT. São também analisados os efeitos das harmônicas e os meios de atenuá-las, de modo a mantê-las dentro de níveis razoáveis. Modelos para a simulação de um RCT, para vários tipos de fenômenos em circuitos monofásicos e trifásicos, são apresentados. São Mostrados gráficos e tabelas de algumas simulações utilizando o programa CSMP (Continuous System Modeling Program) e um programa desenvolvido ciclo a ciclo, utilizando o método passo a passo. As simulações permitem avaliar com razoável precisão o comportamento do RCT associado a um capacitor fixo. Sugestões de estudos afins são apresentadas no final do trabalho. / This work analyses the need of using Var systems in industrial and in power electric systems. Various types of VAr systems are presented and also a comparison among them is done. The work is centralized in the study of thyristor static VAr systems. The thyristor controlled reactor (TCR) and the thyristor switched capacitor (TSC) are analysed in more details. Parametric influences in the wave forms of TCR are discussed. TCR voltage and current harmonic equations are deduced. Harmonic effects and also the methods of producing their attenuation are analysed. TCR simulation models for multiple types of phenomena in one phase and three phase circuits are presented. Some graphics and tables using the CSMP (Continuous System Modeling Program), and a cycle by cycle program that uses the step method are showed. The simulations can evaluate with a reasonable precision the behavior of a TCR with a fixed capacitor (FC). Suggestions of other studies are presented at the end of the work.

O presente trabalho tem como objetivo comparar o desempenho de diferentes metaheurísticas bio-inspiradas aplicadas à resolução de problemas de otimização multiobjetivo do controle de tensão e reativos, ou controle Volt/VAr, em redes elétricas inteligentes. Entre os algoritmos implementados estão o algoritmo genético, o algoritmo memético, a otimização por colônia de formigas, a otimização por enxame de partículas e o strength pareto evolutionary algorithm (SPEA2). Aplicações dos algoritmos à resolução de problemas de otimização do controle Volt/VAr, em redes de distribuição de energia elétrica com dimensões reais, são utilizadas para comparação de seus indicadores de desempenho. A avaliação é feita tanto em relação à velocidade de busca quanto em relação à qualidade da solução encontrada. Os algoritmos mostraram resultados promissores para aplicação a redes de distribuição com dimensões reais, encontrando soluções de qualidade em tempos de busca aceitáveis. Parte deste desempenho se dá pelos métodos meta-heurísticos, parte por conta da modelagem adotada no processo de otimização. / The present work aims at comparing the performance of different bio-inspired metaheuristics applied to the Volt/VAr control multiobjective optimization problem in smart grids. Among the algorithms implemented are the genetic algorithm, the memetic algorithm, ant colony optimization, particle swarm optimization and the strength pareto evolutionary algorithm (SPEA2). Applications of the algorithms to solve Volt/VAr control optimization problems in distribution networks with real dimensions are used to compare their performance indicators. The evaluation is done both in relation to the search speed and in relation to the quality of the solution found. The promising results show that the algorithms are applicable to distribution networks with real dimensions, finding quality solutions in acceptable search times. This performance is obtained due to both the metaheuristic methods, and the modeling adopted in the optimization process.

Este trabalho analisa a necessidade da aplicação dos compensadores estáticos de reativos em sistemas elétricos industriais e em sistemas de potência. Vários tipos de compensadores de reativos são apresentados e também é feita uma comparação entre eles. O trabalho está centralizado no estudo dos compensadores estáticos tiristorisados, principalmente o Reator Controlado a Tiristores (RCT) e o Capacitor Chaveado a Tiristores (CCT). São discutidas as influências de alguns parâmetros nas formas de onda do RCT. É feita a dedução das equações das componentes harmônicas de corrente e tensão do RCT. São também analisados os efeitos das harmônicas e os meios de atenuá-las, de modo a mantê-las dentro de níveis razoáveis. Modelos para a simulação de um RCT, para vários tipos de fenômenos em circuitos monofásicos e trifásicos, são apresentados. São Mostrados gráficos e tabelas de algumas simulações utilizando o programa CSMP (Continuous System Modeling Program) e um programa desenvolvido ciclo a ciclo, utilizando o método passo a passo. As simulações permitem avaliar com razoável precisão o comportamento do RCT associado a um capacitor fixo. Sugestões de estudos afins são apresentadas no final do trabalho. / This work analyses the need of using Var systems in industrial and in power electric systems. Various types of VAr systems are presented and also a comparison among them is done. The work is centralized in the study of thyristor static VAr systems. The thyristor controlled reactor (TCR) and the thyristor switched capacitor (TSC) are analysed in more details. Parametric influences in the wave forms of TCR are discussed. TCR voltage and current harmonic equations are deduced. Harmonic effects and also the methods of producing their attenuation are analysed. TCR simulation models for multiple types of phenomena in one phase and three phase circuits are presented. Some graphics and tables using the CSMP (Continuous System Modeling Program), and a cycle by cycle program that uses the step method are showed. The simulations can evaluate with a reasonable precision the behavior of a TCR with a fixed capacitor (FC). Suggestions of other studies are presented at the end of the work.

O presente trabalho tem como objetivo comparar o desempenho de diferentes metaheurísticas bio-inspiradas aplicadas à resolução de problemas de otimização multiobjetivo do controle de tensão e reativos, ou controle Volt/VAr, em redes elétricas inteligentes. Entre os algoritmos implementados estão o algoritmo genético, o algoritmo memético, a otimização por colônia de formigas, a otimização por enxame de partículas e o strength pareto evolutionary algorithm (SPEA2). Aplicações dos algoritmos à resolução de problemas de otimização do controle Volt/VAr, em redes de distribuição de energia elétrica com dimensões reais, são utilizadas para comparação de seus indicadores de desempenho. A avaliação é feita tanto em relação à velocidade de busca quanto em relação à qualidade da solução encontrada. Os algoritmos mostraram resultados promissores para aplicação a redes de distribuição com dimensões reais, encontrando soluções de qualidade em tempos de busca aceitáveis. Parte deste desempenho se dá pelos métodos meta-heurísticos, parte por conta da modelagem adotada no processo de otimização. / The present work aims at comparing the performance of different bio-inspired metaheuristics applied to the Volt/VAr control multiobjective optimization problem in smart grids. Among the algorithms implemented are the genetic algorithm, the memetic algorithm, ant colony optimization, particle swarm optimization and the strength pareto evolutionary algorithm (SPEA2). Applications of the algorithms to solve Volt/VAr control optimization problems in distribution networks with real dimensions are used to compare their performance indicators. The evaluation is done both in relation to the search speed and in relation to the quality of the solution found. The promising results show that the algorithms are applicable to distribution networks with real dimensions, finding quality solutions in acceptable search times. This performance is obtained due to both the metaheuristic methods, and the modeling adopted in the optimization process.

Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI) technology was first introduced in the NEC in 1971, yet four decades later the technology has not been introduced to a great extent outside of the home environment. This thesis introduces the difficulties encountered in low-voltage three phase ground fault current detection, and adopts a previously patented tripping scheme to develop and prototype a digital relay for 3-phase 480 volt systems capable of the sensitivity and speed required for personnel safety. Results demonstrate the feasibility of the concept and suggest commercial development should be pursued. The prototype is capable of mA sensitivity and reliably detects and removes the faulted feeder from the system, without causing false tripping on non-faulted feeders. The prototype system has been tested and responds appropriately for faults over the 1 mA to 1000 A range.

This thesis is focused on the photochromic molecule of spiropyran, which changes its structure as well as physical and chemical properties after UV irradiation. These changes are reversible, the molecule thermally restore its initial structure. For the study, the molecule SP1 with the systematic name 1',3'-dihydro-1',3',3'-trimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2'-(2H)-indole] was used. This molecule was incorporated within polymers PVK, Tg PPV, PCBTDPP and PCDTBT and the method of UV-VIS spectroscopy was used to observe the photochromic activity within these matrices. The influence of matrices to the ability to undergo UV induced photochromic conversion as well as to the reverse conversion to the initial structure induced by heat was monitored. Furthermore, the influence of spiropyran to the electrical properties of individual matrices was studied. The effect of photochromic conversion to both, the mobility of charge carriers and to the photogeneration was observed. For this purpose, the method of current-voltage measurement was used.