Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-23T03:17:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2017 / Nos últimos anos a tecnologia para exploração da energia dos ventos em altitudes elevadas - Airborne Wind Energy (AWE) - vem se desenvolvendo rapidamente. Várias empresas e grupos de pesquisa em todo o mundo já estão testando seus protótipos para validar as diferentes configurações e conceitos de AWE, sendo que todos dependem do controle de máquinas elétricas. A otimização da potência produzida e também o voo robusto da pipa frente a variações no vento podem ser obtidos com o controle adequado das máquinas. As máquinas utilizadas em AWE devem ser capazes de operar tanto como gerador, produzindo eletricidade, quanto motor durante manobras como pouso e fase de recolhimento. Essa versatilidade traz uma maior complexidade para a eletrônica de potência empregada.O controle de máquinas de corrente alternada é comumente utilizado na indústria, principalmente devido ao avanço de ferramentas como o conhecido Controle Vetorial, também nomeado de controle por orientação de campo (FOC). Nesse método, as correntes de fluxo magnético e torque eletromagnético são controladas separadamente em malhas internas, enquanto que a velocidade da máquina é controlada na malha externa e é responsável por produzir as referências para as malhas de corrente. Embora o controle de velocidade seja adequado para diversas aplicações, sua utilização em AWE pode ser problemática especialmente quando os ventos forem turbulentos. Manter a velocidade da máquina constante nesse cenário pode levar a flutuações indesejadas na força de tração do cabo e no ângulo de ataque do aerofólio, e eventualmente pode levar a pipa à condição de estol (queda).Para melhorar a confiabilidade do voo, é proposta nesse trabalho uma estratégia para controlar a força de tração no cabo de um sistema AWE na configuração pumping-kite através da adição de uma malha externa ao FOC. Essa malha compara o valor de tração medido com uma referência ótima e, baseado no erro de comparação, produz uma referência de velocidade para o FOC. As simulações são parametrizadas para representar o protótipo do projeto UFSCkite, a qual possui uma única máquina a ímãs permanentes de 12 kW e é projetada para suportar trações de até 800 kgf. Os resultados demonstram a eficiência do controlador proposto, não somente pelo seguimento de referências de tração, como também prevenindo que a pipa entre em estol. / Abstract : In the last few years the Airborne Wind Energy (AWE) technology has been undergoing a rapid development. Several companies and research groups around the world have already built prototypes to validate different AWE concepts and configurations, all of which rely on the control of electric machines. An appropriate machine control can optimize the power production and also allow for the tethered wing to fly robustly regardless of wind fluctuations, while respecting system constraints such as the maximum tether traction force and the reel speed saturation. These machines should be capable of operating not only as a generator, when producing electricity, but also as a motor during maneuvers such as landing and recovery phases. This required versatility brings extra complexity to the involved power electronics.Alternated current machines are commonly used in the industry, mainly due to advanced features such as the well known Vector Control, also referred to as Field Oriented Control (FOC). In this scheme, the magnetic flux and electromagnetic torque currents are regulated in the inner loop, whereas the machine speed is controlled in the outer loop. Although speed control is suitable for many applications, using it in a pumping-kite system might be problematic, especially when the kite is exposed to high levels of wind gusts. Keeping the machine speed constant in this scenario may cause the traction force and the airfoil angle of attack to fluctuate to undesirable values, which may eventuallylead the kite to a stall condition (and eventual crash).To improve flight reliability, in this work we present a strategy to control the tether traction force of a pumping-kite unit by adding an external loop to the FOC. This loop compares an optimum reference to the instantaneous measured traction force and, based on this control error, generates a speed reference to the FOC. The simulation is parameterized to represent the ground station prototype under development by the UFSCkite team, which is based on a single permanent-magnet machine of 12 kW and designed to support up to 800 kgf of traction force. The results show the effectiveness of the proposed control strategy, not only for tracking the traction force reference, but also for preventing the kite from stalling.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/182802 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Araujo, Helmut |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Trofino Neto, Alexandre, Barbi, Ivo |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 136 p.| il., gráfs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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