Problemas associados à instalação de subestações de energia em malha urbana. Caso de estudo da subestação de parceiros em Leiria

No âmbito do desenvolvimento da dissertação do Mestrado de Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia, surgiu a oportunidade de participar no desenvolvimento de um projeto integrante numa subestação de energia. O presente caso de estudo tem em vista a resolução de condicionantes na conceção desta subestação, tais como cumprir requisitos estéticos projetando todo o tipo de equipamentos dentro de edifícios, a ventilação das salas de transformação assim como insonorização de todo o ruído produzido de forma a cumprir os limites legais e não perturbar a vizinhança. A presente subestação de energia está situada numa zona urbana da cidade de Leiria, localidade de Parceiros, dando origem ao nome Subestação de Energia de Parceiros. Esta subestação pertence ao cliente Energias de Portugal, conhecida como EDP, e visa o melhoramento da distribuição do serviço eléctrico. As tradicionais subestações de energia, com aparência bastante desenquadrada dos meios urbanos, representam um entrave ao nível da aproximação destes centros de produção energética às zonas urbanas, comprometendo a melhoria da rede elétrica. Desta forma, foi implementada a tecnologia Gas-Insolated Switchgear e permite o enquadramento destes centros energéticos em zonas urbanas, constituindo mais um edifício urbano na zona onde se insere. Esta substitui os convencionais barramentos existentes nos Parques Exteriores de Aparelhagem das subestações e apresenta-se com dimensões muito reduzidas quando comparadas com as estruturas instaladas nestes parques. Dado que esta tecnologia é desenvolvida no sentido de permitir a construção destes centros energéticos em zonas urbanas, podem ser alojadas dentro de edifícios produzindo assim vantagens ao nível estético, não perturbando a paisagem. Dado que os principais equipamentos de funcionamento na subestação de Parceiros, nomeadamente o Transformador de Potência, se encontram instalados num edifício completamente fechado, foram construídas duas salas de ventilação, na parte superior deste edifício, cada uma adjacente a uma sala de transformação. O transformador instalado possui elevadas dimensões, pesando 53000 kg e contendo 11000 kg de óleo que em estado normal de funcionamento circula por quase todo o interior da máquina a elevadas temperaturas, provocando um aquecimento elevado no interior do edifício o que condiciona o bom funcionamento do transformador. Para ultrapassar esta condicionante foi realizado um estudo de um sistema de ventilação capaz de avaliar e controlar os valores térmicos existentes e proceder à circulação de ar, que será movimentado ou bloqueado, recorrendo a um sistema autónomo, mantendo a temperatura ideal nas salas de transformação. Este autómato é o cérebro de toda a cadeia lógica que, mediante as leituras efetuadas irá dar ordens de atuação aos diversos equipamentos. Apesar dos TP estarem protegidos dentro do edifício, estes produzem um maior ruído. A necessidade da existência do referido sistema de ventilação das divisões de funcionamento destas máquinas, implica a utilização de aparelhos que, apesar da sua evolução tecnológica os torna cada vez menos ruidosos, mas geram sempre alguma perturbação, o que pode representar um problema no cumprimento do regulamento geral do ruído.

Projeto de um centro de roda para veículo de competição

A presente tese surgiu da cooperação entre a empresa Semog Racing e o Instituto Superior de Engenharia do Porto, no âmbito da unidade curricular de DPEST, englobado no 2º ano do Mestrado de Engenharia Mecânica, ramo de Construções Mecânicas. Esta dissertação tem como objetivo principal, o projeto de um novo centro de roda para substituir o existente num veículo de competição da Semog Racing. Este centro deverá ser dimensionado para suportar o peso do veículo e os esforços transmitidos à roda. Pretende-se igualmente que o novo modelo apresente um design apelativo e um baixo custo de produção para poder vir ser a comercializado. Na primeira fase, será estudado o centro de roda original fornecido pela Semog Racing. Este estudo engloba a modelação do componente através do software SolidWorks® e uma fase de simulações para diferentes condições de carregamento. O estudo será complementado com a realização de ensaios experimentais para validação do modelo numérico. A segunda fase é dedicada ao desenvolvimento do novo modelo de centro de roda, focando as características mecânicas e o design. Este tem como base o estudo numérico realizado para a roda original, tendo sempre como objetivo final garantir que o novo centro de roda cumpra todos os requisitos. O caminho seguido no processo de otimização é suportado em simulações numéricas pelo método dos elementos finitos, o qual permite aferir quais os pontos críticos a corrigir. No final, será apresentado um novo modelo de centro de roda capaz de suportar as cargas previstas de serviço, que apresente um baixo custo de fabrico e design apelativo.

Análise do comportamento de estruturas através de ensaios de carga

A engenharia civil, rege-se pela garantia de segurança e de funcionalidade das obras que projeta e executa. Para cumprir tais requisitos, é necessário durante a sua vida útil, no final da construção, reforço ou reabilitação, proceder à avaliação da conformidade entre o comportamento real da estrutura e os pressupostos subjacentes ao projeto. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão e análise do comportamento estrutural da Ponte sobre o Rio Sorraia, através da realização de ensaios de carga apoiados pela conceção de um modelo numérico devidamente calibrado, capaz de simular a resposta da estrutura, o mais próximo possível do observável na realidade. Para alcançar o objetivo pré definido elencam-se as metodologias relevantes, descrevem-se os tipos de ensaios de carga realizados em pontes/viadutos e faz-se referência aos aparelhos de medição que estão na base da instrumentação aplicada em obras. Esta introdução foca-se ainda na modelação numérica, permitindo o conhecimento básico necessário para a criação e atualização de modelos numéricos de pontes. Relativamente ao caso de estudo expõe-se a realização do ensaio de carga, descrevendo todo o processo, bem como os resultados obtidos ao nível das grandezas de medição estudadas. Aqui é concebido um modelo numérico base da ponte, alvo de discussão ao nível do comportamento estrutural, baseada na validação dos resultados obtidos por via experimental, através da comparação com os obtidos por via numérica. Por fim, o estudo e seleção de diversos parâmetros da modelação, facultando a calibração do modelo numérico da ponte. Os resultados obtidos neste modelo comprovam o seu elevado potencial, no apoio à observação e compreensão do comportamento de estruturas através da realização de ensaios de carga. O sucesso da realização de uma análise do comportamento de estruturas, através de ensaios de carga, depende assim fundamentalmente, da correta execução do ensaio, da correta conceção e atualização do modelo numérico e da interligação entre os resultados experimentais e numéricos.

Análise do desempenho térmico de construções: projeto e soluções alternativas

O presente Relatório de Estágio representa o último passo para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil – Ramo de Construções, lecionado no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este relatório refere-se ao trabalho desenvolvido em estágio na entidade acolhedora Concexec – Arquitetura, Lda., através da elaboração e desenvolvimento dos projetos de térmica de edifícios referentes a duas moradias unifamiliares. Os referidos projetos foram elaborados em colaboração com a entidade patronal do estágio, precedidos de visitas aos locais das respetivas obras e análise dos respetivos projetos de especialidades considerados relevantes. Numa primeira parte do relatório está descrita a realidade da situação energética atual em Portugal, sucedida da referência e descrição de soluções construtivas disponíveis no mercado nacional que visam a melhoria da eficiência energética em edifícios de habitação. Numa segunda parte do relatório encontram-se descritos, de uma forma detalhada, os projetos de térmica de edifícios referidos e respetivas soluções alternativas, sucedidos de uma análise energética e económica que permita deduzir qual a melhor solução a ser aplicada mediante o caso. Os resultados obtidos cumpriram com todos os requisitos regulamentares estabelecidos, permitindo obter conclusões adequadas ao âmbito do presente Relatório de Estágio, cumprindo, desta forma, os objetivos que lhe foram estabelecidos. No final estão descritas as conclusões que foram obtidas durante todo o processo de pesquisa e desenvolvimento do estágio realizado.

Development of Biomimetic Robots in the EPS Engineering Programme Capstone Project

This paper presents the development of a fish-like robot called Bro-Fish. Bro-Fish aims to be an educational toy dedicated to teaching mechanics, programming and the physics of floating objects to youngsters. The underlying intention is to awaken the interest of children for technology, especially biomimetic (biologically inspired) approaches, in order to promote sustainability and raise the level of ecological awareness. The main focus of this project was to create a robot with carangiform locomotion and controllable swimming, providing the opportunity to customize parts and experiment with the physics of floating objects. Therefore, the locomotion principles of fishes and mechanisms developed in related projects were analysed. Inspired by this background knowledge, a prototype was designed and implemented. The main achievement is the new tail mechanism that propels the robot. The tail resembles the undulation motion of fish bodies and is actuated in an innovative way, triggered by an elegant movement of a rotating helicoidal. First experimental tests revealed the potential of the proposed methodology to effectively generate forward propulsion.

Introducing numerical analysis tools in engineering: a Scilab user case in electronics course

Software tools in education became popular since the widespread of personal computers. Engineering courses lead the way in this development and these tools became almost a standard. Engineering graduates are familiar with numerical analysis tools but also with simulators (e.g. electronic circuits), computer assisted design tools and others, depending on the degree. One of the main problems with these tools is when and how to start use them so that they can be beneficial to students and not mere substitutes for potentially difficult calculations or design. In this paper a software tool to be used by first year students in electronics/electricity courses is presented. The growing acknowledgement and acceptance of open source software lead to the choice of an open source software tool – Scilab, which is a numerical analysis tool – to develop a toolbox. The toolbox was developed to be used as standalone or integrated in an e-learning platform. The e-learning platform used was Moodle. The first approach was to assess the mathematical skills necessary to solve all the problems related to electronics and electricity courses. Analysing the existing circuit simulators software tools, it is clear that even though they are very helpful by showing the end result they are not so effective in the process of the students studying and self learning since they show results but not intermediate steps which are crucial in problems that involve derivatives or integrals. Also, they are not very effective in obtaining graphical results that could be used to elaborate reports and for an overall better comprehension of the results. The developed tool was based on the numerical analysis software Scilab and is a toolbox that gives their users the opportunity to obtain the end results of a circuit analysis but also the expressions obtained when derivative and integrals calculations, plot signals, obtain vector diagrams, etc. The toolbox runs entirely in the Moodle web platform and provides the same results as the standalone application. The students can use the toolbox through the web platform (in computers where they don't have installation privileges) or in their personal computers by installing both the Scilab software and the toolbox. This approach was designed for first year students from all engineering degrees that have electronics/electricity courses in their curricula.

Autonomous guided vehicles applied to industrial engineering and management studies

This article presents a framework to an Industrial Engineering and Management Science course from School of Management and Industrial Studies using Autonomous Ground Vehicles (AGV) to supply materials to a production line as an experimental setup for the students to acquire knowledge in the production robotics area. The students must be capable to understand and put into good use several concepts that will be of utmost importance in their professional life such as critical decisions regarding the study, development and implementation of a production line. The main focus is a production line using AGVs, where the students are required to address several topics such as: sensors actuators, controllers and an high level management and optimization software. The presented framework brings to the robotics teaching community methodologies that allow students from different backgrounds, that normally don’t experiment with the robotics concepts in practice due to the big gap between theory and practice, to go straight to ”making” robotics. Our aim was to suppress the minimum start point level thus allowing any student to fully experience robotics with little background knowledge.

Electrical Skin Phenomena: A Fractional Calculus Analysis

The internal impedance of a wire is the function of the frequency. In a conductor, where the conductivity is sufficiently high, the displacement current density can be neglected. In this case, the conduction current density is given by the product of the electric field and the conductance. One of the aspects the high-frequency effects is the skin effect (SE). The fundamental problem with SE is it attenuates the higher frequency components of a signal. The SE was first verified by Kelvin in 1887. Since then many researchers developed work on the subject and presently a comprehensive physical model, based on the Maxwell equations, is well established. The Maxwell formalism plays a fundamental role in the electromagnetic theory. These equations lead to the derivation of mathematical descriptions useful in many applications in physics and engineering. Maxwell is generally regarded as the 19th century scientist who had the greatest influence on 20th century physics, making contributions to the fundamental models of nature. The Maxwell equations involve only the integer-order calculus and, therefore, it is natural that the resulting classical models adopted in electrical engineering reflect this perspective. Recently, a closer look of some phenomas present in electrical systems and the motivation towards the development of precise models, seem to point out the requirement for a fractional calculus approach. Bearing these ideas in mind, in this study we address the SE and we re-evaluate the results demonstrating its fractional-order nature.

Implementação do Sistema de Gestão Ambiental na Unidade Industrial de Gouveia, da Sumol+Compal

Esta dissertação descreve o levantamento da gestão de uma unidade fabril no âmbito do engarrafamento de águas, para a implementação de um Sistema de Gestão Ambiental (SGA) recorrendo á Norma NP EN ISO 14001:2012 tendo como objetivo proporcionar a melhoria contínua dos processos implementados na empresa bem como todos os benefícios que este referencial pressupõe. Foi realizada, numa primeira fase, uma auditoria diagnóstico com uma visita á fabrica no âmbito da implementação da ISO 14001, e posteriormente realizado todo o trabalho de aplicação ao referencial. Este trabalho consistiu a abordagem a todos os requisitos da norma ISO 14001 com principal foco na fase de Planeamento de um SGA, procurando-se responder essencialmente ao requisito 4.3 da referida norma. Procedeu-se á identificação das atividades da empresa (entradas e saídas), dos aspetos ambientais associados (respetiva significância) e levantamento dos requisitos legais aplicáveis (obrigações). Os restantes requisitos foram abordados e fez-se uma sugestão para o seu cumprimento, para além de que muitos já se encontram em cumprimento por compatibilidade com a norma ISO 9001 da qual a empresa já se encontra certificada. Esta dissertação pretende discutir e apresentar propostas para a implementação do SGA, possíveis vantagens daí decorrentes e as barreiras a ultrapassar (aspetos ambientais significativos) de maneiras a por em prática os requisitos do referencial normativo que venha a ser adotado. Foi realizada uma revisão bibliográfica destas temáticas e, ainda que estas medidas propostas não tenham sido implementadas, assim que implementadas esperam-se ganhos na economia de recursos como também outros benefícios descritos ao longo da dissertação que permita, com implementação do SGA não só enquanto estratégia, ser inovadora e competitiva.

Desenvolvimento de Aplicação para a Otimização de Processo Produtivo

Empreendimentos industriais requerem o acompanhamento completo e preciso de dados de máquinas em tempo real, integrando as atividades do chão de fábrica com a engenharia, suporte e negócios. É reconhecido que sistemas de monitorização são fundamentais para melhorar a qualidade do produto, reduzir os tempos e para a adaptação rápida às mudanças de produção. Os sensores de processos possuem custos altos, não são compactos e são de difícil implementação. Portanto, seria estratégico desenvolver sistemas de monitorização que usufruem ao máximo dos recursos já existentes nas máquinas e ferramentas e que não representem custos adicionais elevados e de difícil implementação. O uso de PLC nas indústrias é crescente. Estes mostram-se como ferramentas potenciais para atender a estas exigências. Os PLC possuem os recursos necessários para a aquisição de informações e controlo das máquinas, facilitando a interação com um sistema SCADA. O objetivo do presente trabalho é pesquisar soluções sobre sistemas de monitorização que possam substituir um sistema instalado antiquado e encontrar uma solução para o controlo de um processo de vazamento. Para tal, foram consideradas duas soluções: uma passaria por desenvolver um sistema de monitorização que controlasse o processo de vazamento, e outra que permitisse ser o PLC a fazer o controlo, adquirindo um HMI apenas para monitorização. Esta última solução revelou-se como a melhor, visto que um PLC tem mais durabilidade em relação a um PC, em termos de atualizações de hardware e software. Assim, foram criadas funções no PLC para fazer o controlo de vazamento e foi adquirido uma consola Beijer, e respetivo software de programação SCADA, para a criação do sistema de monitorização. Os resultados mostram que o PLC é capaz de executar o controlo, não sendo necessário investir em PC que são mais caros, bastando para isso adquirir sistemas SCADA simples e capazes.

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Strength improvement of adhesively-bonded scarf repairs in aluminium structures with external reinforcements

Adhesively bonded techniques are an attractive option to repair aluminium structures, compared to more traditional methods. Actually, as a result of the improvement in the mechanical characteristics of adhesives, adhesive bonding has progressively replaced the traditional joining methods. There are several bonded repair configurations, as single-strap, double-strap and scarf. Compared with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. The higher efficiency is caused by the elimination of the significant joint eccentricities of strap repairs. Moreover, stress distributions along the bond length are more uniform, due to tapering of the scarf edges. The main disadvantages of this technique are the difficult machining of the surfaces, associated costs and requirement of specialised labour. This work reports on an experimental and numerical study of the tensile behaviour of two-dimensional (2D) scarf repairs of aluminium structures bonded with the ductile epoxy adhesive Araldite® 2015. The numerical analysis, by Finite Elements (FE), was performed in Abaqus® and used cohesive zone models (CZM) for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer, thus enabling the strength prediction of the repairs. A parametric study was performed on the scarf angle (α) and different configurations of external reinforcement (applied on one or two sides of the repair, and also different reinforcement lengths). The obtained results allowed the establishment of design guidelines for repairing, showing that the use of external reinforcements enables increasing α for equal strength recovery, which makes the repair procedure easier. The numerical technique was accurate in predicting the repairs’ strength, enabling its use for design and optimisation purposes.

Massive Open Online Course management: learning science and engineering through peer-reviewed projects

Massive Open Online Courses (MOOC) are gaining prominence in transversal teaching-learning strategies. However, there are many issues still debated, namely assessment, recognized largely as a cornerstone in Education. The large number of students involved requires a redefinition of strategies that often use approaches based on tasks or challenging projects. In these conditions and due to this approach, assessment is made through peer-reviewed assignments and quizzes online. The peer-reviewed assignments are often based upon sample answers or topics, which guide the student in the task of evaluating peers. This chapter analyzes the grading and evaluation in MOOCs, especially in science and engineering courses, within the context of education and grading methodologies and discusses possible perspectives to pursue grading quality in massive e-learning courses.

Hydrogeomechanics for rock engineering: coupling subsurface hydrogeomechanical assessement and hydrogeotechnical mapping on fracturated rock masses

The present work aims to achieve and further develop a hydrogeomechanical approach in Caldas da Cavaca hydromineral system rock mass (Aguiar da Beira, NW Portugal), and contribute to a better understanding of the hydrogeological conceptual site model. A collection of several data, namely geology, hydrogeology, rock and soil geotechnics, borehole hydraulics and hydrogeomechanics, was retrieved from three rock slopes (Lagoa, Amores and Cancela). To accomplish a comprehensive analysis and rock engineering conceptualisation of the site, a multi‐technical approach were used, such as, field and laboratory techniques, hydrogeotechnical mapping, hydrogeomechanical zoning and hydrogeomechanical scheme classifications and indexes. In addition, a hydrogeomechanical data analysis and assessment, such as Hydro‐Potential (HP)‐Value technique, JW Joint Water Reduction index, Hydraulic Classification (HC) System were applied on rock slopes. The hydrogeomechanical zone HGMZ 1 of Lagoa slope achieved higher hydraulic conductivities with poorer rock mass quality results, followed by the hydrogeomechanical zone HGMZ 2 of Lagoa slope, with poor to fair rock mass quality and lower hydraulic parameters. In addition, Amores slope had a fair to good rock mass quality and the lowest hydraulic conductivity. The hydrogeomechanical zone HGMZ 3 of Lagoa slope, and the hydrogeomechanical zones HGMZ 1 and HGMZ 2 of Cancela slope had a fair to poor rock mass quality but were completely dry. Geographical Information Systems (GIS) mapping technologies was used in overall hydrogeological and hydrogeomechanical data integration in order to improve the hydrogeological conceptual site model.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.