PM Motors for High Efficiency Applications

PM motors are suitable for nearly all applications, like pumps, elevators, compressors, blowers, extruders, generators, electric vehicles, servodrives, cooling towers, household appliances, etc. This paper will present some applications where the use of PM motors allowed for enhancements in energy efficiency and process quality.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. 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.

Optimização de recursos numa industria de curtumes

O presente relatório descreve o trabalho de estágio efectuado na empresa Curtumes Aveneda, Lda com o objectivo de optimizar recursos como a água e energia. Foi realizado um diagnóstico energético que permitiu concluir que o consumo de energia na empresa é de 300 tep/ano, pelo que a empresa não é obrigada a adoptar as medidas de Regulamento de Gestão do Consumo de Energia (RGCE). O mesmo diagnóstico aponta para a existência de ineficiências, nomeadamente na tinturaria. Assim, foi projectado um sistema de controlo para adição de água na tinturaria com o intuito de reduzir o consumo de energia e água, e também melhorar a qualidade dos processos de tinturaria, dado que a adição de água é feita manualmente sem controlo de quantidade. Após consulta de fornecedor, o investimento em equipamento para tal sistema é de 10.012,00€ Foi desenvolvido um processo de recurtume compacto no sentido de promover a redução do consumo de água e de energia. Tal processo, quando comparado com um processo normal da empresa, gera uma redução de energia eléctrica no valor de 6.157,05 €/ano, uma redução no consumo de energia térmica da ordem de 904,00 €/ano, e ainda uma redução do consumo de água na ordem de 962 m3/ano correspondente a uma redução de 2.998,76 €/ano no tratamento de efluentes. Outras medidas foram sugeridas, mas sem uma fundamentação técnica e científica suficiente pelo que carecem de um estudo pormenorizado, como a instalação de arrancadores progressivos nos motores dos fulões, a optimização do aquecimento do ar de secagem na estufa com eventual recurso a painéis solares, e a optimização do funcionamento da caldeira dado o seu baixo rendimento.

Sistema de treino para pilotos de parapente

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

A sensor classification strategy for robotic manipulators

In practice the robotic manipulators present some degree of unwanted vibrations. The advent of lightweight arm manipulators, mainly in the aerospace industry, where weight is an important issue, leads to the problem of intense vibrations. On the other hand, robots interacting with the environment often generate impacts that propagate through the mechanical structure and produce also vibrations. In order to analyze these phenomena a robot signal acquisition system was developed. The manipulator motion produces vibrations, either from the structural modes or from endeffector impacts. The instrumentation system acquires signals from several sensors that capture the joint positions, mass accelerations, forces and moments, and electrical currents in the motors. Afterwards, an analysis package, running off-line, reads the data recorded by the acquisition system and extracts the signal characteristics. Due to the multiplicity of sensors, the data obtained can be redundant because the same type of information may be seen by two or more sensors. Because of the price of the sensors, this aspect can be considered in order to reduce the cost of the system. On the other hand, the placement of the sensors is an important issue in order to obtain the suitable signals of the vibration phenomenon. Moreover, the study of these issues can help in the design optimization of the acquisition system. In this line of thought a sensor classification scheme is presented. Several authors have addressed the subject of the sensor classification scheme. White (White, 1987) presents a flexible and comprehensive categorizing scheme that is useful for describing and comparing sensors. The author organizes the sensors according to several aspects: measurands, technological aspects, detection means, conversion phenomena, sensor materials and fields of application. Michahelles and Schiele (Michahelles & Schiele, 2003) systematize the use of sensor technology. They identified several dimensions of sensing that represent the sensing goals for physical interaction. A conceptual framework is introduced that allows categorizing existing sensors and evaluates their utility in various applications. This framework not only guides application designers for choosing meaningful sensor subsets, but also can inspire new systems and leads to the evaluation of existing applications. Today’s technology offers a wide variety of sensors. In order to use all the data from the diversity of sensors a framework of integration is needed. Sensor fusion, fuzzy logic, and neural networks are often mentioned when dealing with problem of combing information from several sensors to get a more general picture of a given situation. The study of data fusion has been receiving considerable attention (Esteban et al., 2005; Luo & Kay, 1990). A survey of the state of the art in sensor fusion for robotics can be found in (Hackett & Shah, 1990). Henderson and Shilcrat (Henderson & Shilcrat, 1984) introduced the concept of logic sensor that defines an abstract specification of the sensors to integrate in a multisensor system. The recent developments of micro electro mechanical sensors (MEMS) with unwired communication capabilities allow a sensor network with interesting capacity. This technology was applied in several applications (Arampatzis & Manesis, 2005), including robotics. Cheekiralla and Engels (Cheekiralla & Engels, 2005) propose a classification of the unwired sensor networks according to its functionalities and properties. This paper presents a development of a sensor classification scheme based on the frequency spectrum of the signals and on a statistical metrics. Bearing these ideas in mind, this paper is organized as follows. Section 2 describes briefly the robotic system enhanced with the instrumentation setup. Section 3 presents the experimental results. Finally, section 4 draws the main conclusions and points out future work.

A remote engineering solution for automating a roller hearth kiln

Remote engineering (also known as online engineering) may be defined as a combination of control engineering and telematics. In this area, specific activities require computacional skills in order to develop projects where electrical devives are monitored and / or controlled, in an intercative way, through a distributed network (e.g. Intranet or Internet). In our specific case, we will be dealing with an industrial plant. Within the last few years, there has been an increase in the number of activities related to remote engineering, which may be connected to the phenomenon of the large extension experienced by the Internet (e.g. bandwith, number of users, development tools, etc.). This increase opens new and future possibilities to the implementation of advance teleworking (or e-working) positions. In this paper we present the architecture for a remote application, accessible through the Internet, able to monitor and control a roller hearth kiln, used in a ceramics industry for firing materials. The proposed architecture is based on a micro web server, whose main function is to monitor and control the firing process, by reading the data from a series of temperature sensors and by controlling a series of electronic valves and servo motors. This solution is also intended to be a low-cost alternative to other potential solutions. The temperature readings are obtained through K-type thermopairs and the gas flow is controlled through electrovalves. As the firing process should not be stopped before its complete end, the system is equipped with a safety device for that specific purpose. For better understanding the system to be automated and its operation we decided to develop a scale model (100:1) and experiment on it the devised solution, based on a Micro Web Server.

Monitorização de sistema de baterias para veículos elétricos

Uma das maiores preocupações do mundo neste momento prende-se com o facto da grande dependência do petróleo e seus aglomerados. Esta dependência causa dois problemas: novos estudos fomentam o começo da escassez deste produto, atirando para cima o preço deste material precioso, e a poluição que que este causa. Um dos sectores mais dependentes e que mais polui, é o dos transportes. Nos últimos anos, o mundo teve finalmente noção deste problema e uma das apostas neste sector é o desenvolvimento da célula de combustível, uma tecnologia que utiliza água como combustível, podendo ser reutilizada. É uma tecnologia ainda em fase de introdução pelo que, para já, a médio prazo não será solução. Uma solução intermédia é a utilização de energia elétrica como ―combustível‖. Apesar de grande parte da produção de energia elétrica ser a partir da queima de derivados de petróleo, os motores elétricos são por si só muito mais eficientes comparando com os motores de combustão. Não se vai aqui debater se são uma solução com viabilidade devido à questão da transferência da dependência do petróleo do sector dos transportes para o sector da produção de energia elétrica. O objetivo deste trabalho será desenvolver um sistema de faça a gestão do ―combustível‖ dos veículos elétricos, ou seja, baterias. Essa gestão tem como objetivo aumentar a autonomia do veículo e prolongar o tempo de vida das baterias. Na primeira fase, uma introdução à atualidade dos veículos elétricos, fazendo uma análise às diferentes soluções. Serão referidas os diferentes tipos de baterias e suas características, passando depois para exemplos de sistemas de gestão de baterias. A explicação da ideia para este sistema vem com o capítulo projeto, ficando a implementação para o capítulo seguinte.

Fractional order electromagnetics

The Maxwell equations constitute a formalism for the development of models describing electromagnetic phenomena. The four Maxwell laws have been adopted successfully in many applications and involve only the integer order differential calculus. Recently, a closer look for the cases of transmission lines, electrical motors and transformers, that reveal the so-called skin effect, motivated a new perspective towards the replacement of classical models by fractional-order mathematical descriptions. Bearing these facts in mind this paper addresses the concept of static fractional electric potential. The fractional potential was suggested some years ago. However, the idea was not fully explored and practical methods of implementation were not proposed. In this line of thought, this paper develops a new approximation algorithm for establishing the fractional order electrical potential and analyzes its characteristics.

Maximização da valorização energética em aterros sanitários recorrendo a equipamentos baseados no Ciclo Orgânico de Rankine (ORC)

Atualmente, os aterros sanitários representam uma solução para a gestão e tratamento dos resíduos sólidos urbanos. Da deposição, ocorrem duas formas de emissões ao longo do tempo, a produção de biogás e de lixiviados, que resultam sobretudo da decomposição da matéria orgânica. Um dos principais constituintes do biogás é o metano, o qual tem elevado poder calorífico. O presente trabalho aborda, a maximização da valorização energética em aterros sanitários, recorrendo a equipamentos baseados no Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) para a produção de eletricidade. É apresentado como caso de estudo a central de valorização energética da Suldouro, em Sermonde, que produz eletricidade a partir do biogás resultante da decomposição da matéria orgânica depositada em aterro. O biogás é utilizado como combustível para os motogeradores utilizados para o seu aproveitamento energético, sendo que apenas cerca de 40% do potencial energético contido no biogás é transformado em eletricidade, registando-se perdas sobretudo nas emissões dos gases de exaustão e na água de arrefecimento dos motores. Para avaliação do potencial da recuperação energética dos gases de escape é avaliado o desempenho termodinâmico do ciclo ORC. Para tal foi desenvolvida uma ferramenta em MATLAB utilizando como modelo a configuração do ORC com recuperador de calor. O cálculo das propriedades termodinâmicas dos fluidos foi obtido através da criação de uma sub-rotina que chama o programa CoolProp. Este programa restitui propriedades como a entalpia, entropia, pressões e temperaturas em cada ponto do ciclo, permitindo assim ao utilizador otimizar o tempo na obtenção de resultados. A avaliação económica é fundamental na tomada de decisões por parte do investidor e dos financiadores do projeto. É então apresentada a análise económica e efetuada uma análise de sensibilidade, onde foram efetuadas variações nos vetores mais importantes de forma a poder avaliar-se o impacto em termos da sua rentabilidade. A ferramenta desenvolvida permite obter de forma prática, os três indicadores económicos extremamente influentes no que se refere à tomada de decisão. A utilização dos sistemas ORC e os seus benefícios não se esgotam na maximização dos aproveitamentos da valorização energética em aterros sanitários. Também a recuperação de calor para a produção de energia elétrica pode ter um impacto importante em muitos setores intensivos de energia, contribuindo significativamente para a redução do consumo e aumentando a eficiência de todo o processo de produção.

Levantamento elétrico e análise de equipamento para acabamento térmico e químico de telas para pneus

Esta dissertação surge da necessidade da empresa Continental - Indústria Têxtil do Ave S.A. – grupo Continental Mabor atualizar os esquemas elétricos de uma máquina para acabamento térmico e químico de telas para pneus. Esta máquina (Zell) é crucial no seu processo produtivo e foi ao longo dos anos sofrendo sucessivas atualizações no sentido de melhorar o seu processo de produção. Existiam já, esquemas elétricos da máquina realizados em EPLAN no entanto não foram acompanhando as sucessivas alterações sofridas pela mesma. Deste modo, torna-se assim necessário não só produzir um suporte digital desses mesmos esquemas como também proceder à sua atualização. Ao longo desta dissertação o leitor pode obter informações relativas à Zell e ao processo de análise, estudo e documentação dos seus quadros elétricos em software EPLAN Electric P8. São ainda abordadas técnicas de leitura e desenho em EPLAN e descritas algumas das funcionalidade que este permite. É abordada a base de dados criada com informações relativas à máquina tais como características dos seus motores, variadores de frequência e localização dos quadros elétricos ao longo dos pisos que a compõe. No âmbito desta dissertação foi redigido o “Manual da Máquina de Impregnar Zell” e neste relatório abordam-se os principais tópicos que o compõe. Com a atualização dos esquemas tornou-se necessário proceder à identificação de diversos componentes na máquina. Esse processo de identificação é também aqui retratado. O leitor pode por fim obter informações de como realizar um processo de troca de variadores de frequência da marca ABB de diferentes gamas tendo em consideração as ligações em causa para o fazer. Pretende-se assim que o leitor fique com uma noção geral das diferentes vertentes que foram abordadas neste trabalho realizado sob a forma de um estágio com duração de seis meses no seio desta indústria.

Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

Otimização de consumo energético de equipamento de grande potência

Um dos princípios da Gestão é: “If you cannot measure it, you cannot improve it.” In The Economist – 26.Dez.2008, idea of 19th century English physicist Lord Kelvin. Embora seja uma afirmação aplicável à gestão económica, também pode ser utilizada no domínio da gestão da energia. Este trabalho surge da necessidade sentida pela empresa Continental - Industria Têxtil do Ave, S.A. em efetuar uma atualização dos seus standards de produção, minimizando os seus consumos de eletricidade e gás natural. Foi necessário efetuar o levantamento dos consumos em diversas máquinas e equipamentos industriais, caracterizando e analisando os consumos ao longo de todo o processo produtivo. Para o tratamento de dados recolhidos foi desenvolvida uma folha de cálculo em MS Office ExcelTM com metodologia adequada ao equipamento em análise, que dará apoio ao decisor para a identificação dos aspetos que melhorem o processo produtivo e garantam uma elevada eficiência energética. Porém, não se enquadra no âmbito do Plano Nacional de Racionalização de Energia, sendo uma “auditoria energética” ao processo produtivo. Recentemente, a empresa, tem vindo a utilizar equipamentos eletrónicos que permitem otimizar o funcionamento mecânico dos equipamentos e das potências instaladas dos transformadores, na tentativa de racionalizar o consumo da energia elétrica. Outros equipamentos como, conversores de frequência para controlo de motores, balastros eletrónicos que substituem os convencionais balastros ferromagnéticos das lâmpadas de descarga fluorescente, têm sido incluídos ao nível das instalações elétricas, sendo gradualmente substituída a eletromecânica pela eletrónica. Este tipo de soluções vem deteriorar as formas de onda da corrente e da tensão do sistema pela introdução de distorções harmónicas. Faz ainda parte deste trabalho, um estudo de uma solução que melhore, simultaneamente o fator de potência e reduza as harmónicas presentes num posto de transformação localizado no seio da fábrica. Esta solução, permite melhorar a qualidade da energia elétrica e as condições de continuidade de serviço, garantindo melhores condições de exploração e incrementando a produtividade da empresa.

Projeto e dimensionamento da tampa de ventilação de um motor elétrico

Nos dias de hoje a indústria tenta tornar-se cada vez mais competitiva baixando os custos de produção e aumentando a eficiência do produto. O presente trabalho visa desenvolver uma tampa de ventilação de um motor elétrico mais competitiva mas que cumpra com o desempenho mecânico e eficiência solicitados. Para tal, começou-se por analisar alguns motores elétricos e as suas aplicações. Seguidamente apresentam-se conceitos sobre aerodinâmica e processos de fabrico que permitem apoiar as opções tomadas ao longo do estudo. Após o fundamento teórico é apresentado todo o processo de desenvolvimento de uma nova peça. Recorrendo a softwares como o solidworks e Ansys, realizou-se uma análise analítica que permitiu validar as alterações propostas na tampa de ventilação. Foram, ainda, realizadas análises experimentais com o intuito de consolidar os resultados obtidos analiticamente e garantir que o componente cumpria os requisitos impostos por organizações internacionais ligadas à indústria do oil and gas. A primeira das análises experimentais realizada testa a capacidade do material resistir ao impacto de componentes de pequenas dimensões. Esta analise permitiu garantir a utilização da tampa de ventilação em todas as áreas sem limites de normalização. A segunda permite analisar experimentalmente as alterações de design assim como testar alguns trabalhos futuros. Esta análise permitiu definir se no novo projeto da tampa desenvolvido deveria comtemplar uma alteração do diâmetro da entrada de ar da tampa de ventilação. Como resultados aparecem as decisões tomadas na presente tese, assim como analisar as metas que foram atingidas e que melhorias se pretende atingir de futuro tentando visar novas metas. Os resultados obtidos permitiram definir uma nova tampa de ventilação com a nova que irá beneficiar a empresa na sua competitividade no mercado mantendo a performance do motor.

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Controlo da velocidade e posição de um tapete rolante

A utilização eficiente da energia é essencial para a competitividade económica de um país. Sendo a intensidade energética de Portugal elevada, onde a utilização de motores elétricos, absorve cerca de metade da energia elétrica consumida na indústria, a utilização de conversores eletrónicos de potência permite obter economias de energia. Nesta tese pretende-se controlar a velocidade e o posicionamento de um tapete rolante através da utilização de um conversor eletrónico de potência. Na fundamentação teórica são referidos os conceitos de variação da tensão e frequência, controle escalar e vetorial, modelação por largura de pulso (PWM) assim como a retificação e ondulação da tensão de um variador de velocidades. Na parte prática será utilizado um servo motor, controlado por um variador eletrónico de velocidades, para efetuar o referido projeto. É ainda objeto desta tese o estudo dos parâmetros fundamentais assim como a pesquisa dos parâmetros a utilizar para o desempenho pretendido.