Regulação de velocidade em motores assíncronos de corrente alternada

O motor assíncrono de indução é uma máquina essencialmente de velocidade constante, alimentado por uma fonte de energia elétrica de tensão e frequência constantes. A velocidade de funcionamento em regime nominal é muito próxima da velocidade síncrona. Se o binário da carga aumenta, a velocidade do motor decresce ligeiramente. É, como tal, uma máquina orientada para aplicações que requerem velocidade constante. Entretanto, muitas aplicações necessitam de vários escalões ou ajuste contínuo de velocidade. Tradicionalmente, estas tarefas que necessitavam de variação de velocidade eram efetuadas por motores de corrente contínua (motores DC).

Sistema de treino para pilotos de parapente

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Utilização racional de energia eléctrica em instalações industriais. O caso da força motriz

A produção de energia mecânica, através da utilização de motores eléctricos, absorve cerca de metade da energia eléctrica consumida no nosso País, da qual apenas metade é energia útil. Este sector é, pois, um daqueles em que é preciso tentar fazer economias, prioritariamente. O êxito neste domínio depende, em primeiro lugar, da melhor adequação da potência do motor à da máquina que ele acciona. Quando o regime de funcionamento é muito variável para permitir este ajustamento, pode‐se equipar o motor com um conversor electrónico de variação de velocidade. Outra possibilidade é a utilização dos motores “ de perdas reduzidas” ou de “alto rendimento”, que permitem economias consideráveis.

Accionamentos eficientes de força‐motriz. Nova classificação

Os motores eléctricos, particularmente o motor assíncrono de indução, são o tipo de máquina mais utilizada na indústria em virtude da sua grande versatilidade, gama de potências, robustez, duração, reduzida manutenção, baixa poluição, facilidade de produção e custos de aquisição relativamente baixos. Como qualquer máquina, o motor eléctrico, responsável pela conversão de energia eléctrica em mecânica, apresenta perdas. O rendimento (ou eficiência) é definido como sendo a razão entre a potência de saída (ao nível do veio de saída do accionamento) e a potência eléctrica absorvida à entrada. A produção de energia mecânica, através da utilização de motores eléctricos, absorve cerca de 60% da energia eléctrica consumida no sector industrial do nosso País, da qual apenas metade é energia útil. Este sector é, pois, um daqueles em que é preciso tentar fazer economias, prioritariamente. Os sistemas de accionamentos têm que ser abordados como um todo, já que a existência de um componente de baixo rendimento influencia drasticamente o rendimento global. O êxito neste domínio depende, em primeiro lugar, da melhor adequação da potência do motor à da máquina que ele acciona. Quando o regime de funcionamento é muito variável para permitir este ajustamento, pode‐se equipar o motor com um conversor electrónico de variação de velocidade. Outra possibilidade é a utilização dos motores “ de perdas reduzidas”, de “alto rendimento”, ou “elevada eficiência”, que permitem economias energéticas consideráveis. Nos últimos anos, muitos fabricantes de motores investiram fortemente na pesquisa e desenvolvimento de novos produtos com o objectivo de colocarem no mercado motores mais eficientes. O acordo voluntário obtido em 1999 entre a CEMEP (Associação Europeia de Fabricantes de Motores Eléctricos) e a Comissão Europeia sobre o rendimento de motores de 2 e 4 pólos, na gama de potências 1,1 a 90 kW, foi revisto em 2004. Os motores foram classificados de acordo com o seu rendimento: ‐ EFF1 – Motores de alto rendimento; ‐ EFF2 – Motores de rendimento aumentado; ‐ EFF3 – Motores sem qualquer requisito especial. No seguimento da directiva "Eco‐design Directive (2005/32/CE) “ publicada em 2005 para Produtos que consomem energia (EUP), a Comissão Europeia aprovou em Julho de 2009 um regulamento de aplicação dos requisitos de concepção ecológica para os motores eléctricos, com efeitos a partir de meados de 2011, dando aos fabricantes de cerca de 2 anos para garantir que seus produtos cumprem a referida directiva. O lote 11 da Directiva EUP (Energy Using Products) descreve as orientações de design, a compatibilidade ambiental, o impacte ambiental e o consumo de energia de máquinas / motores eléctricos rotativos de alto rendimento. A directiva abrange os motores de 2, 4 e 6 pólos, na gama de potências de 0,75 a 375 kW. Neste âmbito, os motores passam a ser classificados por: ‐ IE1 (igual a EFF2) – com utilização proibida; ‐ IE2 (igual a EFF1) – com utilização obrigatória; ‐ IE3 (igual a Premium) – com utilização voluntária; ‐ IE4 (ainda não aplicável a accionamentos assíncronos).

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.

Controlo vetorial (foc) de um motor de indução trifásico aplicado a um veículo elétrico

Os motores de indução (MI) com rotor em gaiola de esquilo estão muito disseminados nos atuais sistemas de variação de velocidade (“drives”). A sua simplicidade e robustez, aliadas a baixos preços (comparativamente com outras máquinas) e ampla gama de potências disponíveis, são as principais razões. A evolução verificada nos domínios da eletrónica de potência e nos sistemas de controlo (em particular, o controlo digital), permitiram aplicar os MI em sistemas de elevado desempenho dinâmico (e.g., controlo de binário e/ou posição), substituindo os motores DC, cujas características dinâmicas e simplicidade de controlo os tornavam a primeira escolha em tais aplicações. Com efeito, as “drives” baseadas em MI apresentam características dinâmicas em tudo semelhantes aos sistemas DC, incluindo a possibilidade de funcionamento nos quatro quadrantes do plano (T, nr). No entanto, a complexidade do conversores e, sobretudo, dos sistemas de controlo é muito mais elevada nos sistemas AC. Os sistemas baseados no controlo vectorial são os mais usuais nas “drives” baseadas nas máquinas AC convencionais (assíncronas e síncronas). Existem outras metodologias também usadas na indústria (e.g., controlo direto do binário – DTC), mas neste trabalho somente o controlo vetorial será abordado.

Efeito do calçado MBT, na variação do centro de pressão, durante o equilíbrio estático

Objectivo: Analisar a variação do centro de pressão (CP) com a utilização do calçado MBT, no equilíbrio estático a curto e longo prazo. Metodologia: A amostra é constituída por dois grupos, experimental e controlo. O estudo consistiu em dois momentos de avaliação, na recolha os indivíduos estão sobre a plataforma, estáticos. Os dados recolhidos foram a área, distância e velocidade das oscilações do CP. Resultados: As variáveis estudadas estão aumentadas com o uso das MBT. A longo prazo não se verificou diferenças significativas entre os grupos. Conclusão: As sapatilhas MBT proporcionam o aumento das oscilações do CP a curto prazo.

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.

Efeitos tridimensionais no escoamento em torno de cilindros confinados

Mestrado em Engenharia Química

O uso do smartphone na avaliação do risco de queda associado ao envelhecimento

Introdução: O declínio do equilíbrio, da força dos membros inferiores e o medo de cair são fatores de risco de queda associados ao envelhecimento e a sua avaliação pode ser realizada pelo teste One Leg Standing (OLS), Sit to Stand (STS) e pela Falls Eficacy Scale (FES), respetivamente. As aplicações para smartphone constituem uma alternativa para a avaliação dos fatores de risco de queda no envelhecimento. Objetivo: Analisar a capacidade de uma aplicação para smartphone na avaliação dos testes STS, OLS e FES. Metodologia: Realizou-se um estudo analítico numa amostra de 27 voluntários com idade ≥ 60 anos. Realizaram-se os testes STS, OLS e a FES (versão iconográfica, apresentada no smartphone). Os dados foram recolhidos simultaneamente por um smartphone e pelo Qualisys Motion Capture Systems associado a uma plataforma de forças. Foi utilizado o r de Pearson ou Spearman para analisar as possíveis correlações. Resultados: No STS obteve-se uma correlação muito forte (rp=0.97) no número de repetições de ciclos Sit Stand Sit (SLS) e forte na duração média do SLS (rp=0.85) e das subfases Sit to Stand (rp=0.69) e Stand to Sit (rp=0.778), com p<0.001. As medidas de inclinação do tronco apresentaram correlações fortes, com exceção do ângulo inicial (p≥0.05). No OLS, verificou-se uma correlação moderada entre o deslocamento do centro de pressão peak to peak médio-lateral (rs=0.45; p=0.017) e antero-posterior (rs=0.39; p=0.046), root mean square médio-lateral (rs=0.39; p=0.046) e antero-posterior (rs=0.46; p=0.017) e área do estatocinesiograma (rs=0.45; p=0.018). Na FES obteve-se uma correlação moderada em três categorias: ‘tomar banho/duche’ (rs=0.49; p=0.010), ‘deitar/levantar da cama (rs=0.43; p=0.024) e ‘chegar aos armários’ (rs=0.38; p=0.050). Conclusão: A aplicação para smartphone parece avaliar corretamente os ciclos e a variação da inclinação do tronco no STS, porém parece necessitar de ser reajustada na FES e na velocidade do deslocamento do centro de pressão, no OLS.

Efeitos de um programa prolongado de exercício na tolerância ao esforço de indivíduos com antecedentes de síndrome coronário agudo

Objectivos: Este estudo teve por objectivo verificar a influência de um programa prolongado de exercício físico em parâmetros de aptidão física e cardiovasculares avaliados em prova de esforço máximo, em sujeitos com diagnóstico recente de síndrome coronário agudo. Métodos: A amostra, constituída por 50 sujeitos, foi distribuída por um grupo experimental (n=25) e por um grupo controlo (n=25), tendo o grupo experimental ficado sujeito a um programa de exercício físico regular durante 52 semanas. Todos os indivíduos realizaram duas provas de esforço máximas (PEM) em tapete rolante, uma no início e a outra no final do protocolo experimental, tendo a primeira prova sido realizada 2-3 meses após o evento cardíaco. Nas PEM foram registados parâmetros de aptidão física (velocidade máxima, inclinação máxima do tapete e tempo de prova), dos indicadores metabólicos (METs máximo) e parâmetros cardiovasculares (frequência cardíaca repouso e máxima durante a prova, tensão arterial de repouso e máxima durante a prova e o duplo produto máximo e em repouso). Resultados: Comparativamente à primeira prova, na segunda PEM verificou-se no grupo experimental um aumento significativo (p<0,05) dos valores absolutos dos indicadores de aptidão física, com uma percentagem de variação destes parâmetros significativamente superior à do grupo controlo. No entanto, apesar do melhor desempenho físico evidenciado pelo grupo experimental, não se verificaram diferenças significativas entre os dois grupos no que respeita aos parâmetros cardiovasculares. Conclusão: Os resultados permitem concluir que o programa de exercícios se revelou vantajoso para os indivíduos do grupo experimental, tendo-lhes aumentado a tolerância ao esforço físico máximo sem uma aparente sobrecarga cardiovascular adicional.

Stiffness da tibiotársica em sujeitos com Acidente Vascular Encefálico - processo de raciocínio clínico

regula a posição do corpo no espaço, sendo um pré-requisito para o movimento. À periferia este processo de Controlo Postural pode ser identificado também através da variação do stiffness. O Acidente Vascular Encefálico apresenta-se como a patologia onde os sujeitos são referenciados como tendo alteração do stiffness, e poderão verificar-se modificações nesta variável no âmbito da reabilitação neuro-motora. Objetivo: Descrever o comportamento do stiffness da tibiotársica, nos dois membros inferiores, em indivíduos pós Acidente Vascular Encefálico, face a uma intervenção em fisioterapia baseada num processo de raciocínio clínico. Métodos: 5 sujeitos participaram no estudo, tendo sido implementado um programa de reabilitação para cada um dos sujeitos, por um período de 3 meses, com 2 momentos de avaliação (M0 e M1). O torque e a amplitude articular da tibiotársica foi monitorizada, através do dinamómetro isocinético, durante o movimento passivo de dorsiflexão, a diferentes velocidades (5º/s, 1º/s e 0,25º/s) A atividade eletromiográfica dos músculos Gastrocnémio Interno e Solear foi também recolhida. O valor de stiffness foi calculado através da relação torque/posição. Resultados: Em todos os sujeitos em estudo verificou-se que de uma forma geral o stiffness do membro contralateral à lesão apresentou uma modificação no sentido da diminuição em todas as amplitudes em M1. Nos sujeitos A e C, verificou-se que o stiffness do membro ipsilateral apresentou uma modificação no sentido da diminuição em M1 (em amplitudes intermédias). Nos sujeitos B, D e E o stiffness não apresentou modificações. O stiffness não variou com a velocidade. Conclusão: O stiffness apontou para uma diminuição, nos sujeitos em estudo no membro contralateral à lesão e no membro ipsilateral à lesão nos sujeitos A e C em amplitudes intermédias.

Produção de hidrogénio através da gasificação da biomassa

A procura de uma forma limpa de combustível, aliada à crescente instabilidade de preços dos combustíveis fósseis verificada nos mercados faz com que o hidrogénio se torne num combustível a considerar devido a não resultar qualquer produto poluente da sua queima e de se poder utilizar, por exemplo, desperdícios florestais cujo valor de mercado não está inflacionado por não pertencer à cadeia alimentar humana. Este trabalho tem como objetivo simular o processo de gasificação de biomassa para produção de hidrogénio utilizando um gasificador de leito fluidizado circulante. O oxigénio e vapor de água funcionam como agentes gasificantes. Para o efeito usou-se o simulador de processos químicos ASPEN Plus. A simulação desenvolvida compreende três etapas que ocorrem no interior do gasificador: pirólise, que foi simulada por um bloco RYIELD, combustão de parte dos compostos voláteis, simulada por um bloco RSTOIC e, por fim, as reações de oxidação e gasificação do carbonizado “char”, simuladas por um bloco RPLUG. Os valores de rendimento dos compostos após a pirólise, obtidos por uma correlação proposta por Gomez-Barea, et al. (2010), foram os seguintes: 20,33% “char”, 22,59% alcatrão, 36,90% monóxido de carbono, 16,05%m/m dióxido de carbono, 3,33% metano e 0,79% hidrogénio (% em massa). Como não foi possível encontrar valores da variação da composição do gás à saída do gasificador com a variação da temperatura, para o caso de vapor de água e oxigénio, optou-se por utilizar apenas vapor na simulação de forma a comparar os seus valores com os da literatura. Às temperaturas de 700, 770 e 820ºC, para um “steam-to-biomass ratio”, (SBR) igual a 0,5, os valores da percentagem molar de monóxido de carbono foram, respetivamente, 56,60%, 55,84% e 53,85%, os valores de hidrogénio foram, respetivamente, 17,83%, 18,25% e 19,31%, os valores de dióxido de carbono foram, respetivamente, 16,40%, 16,85% e 17,93% e os valores de metano foram, respetivamente, 9,00%, 8,95% e 8,83%. Os valores da composição à saída do gasificador, à temperatura de 820ºC, para um SBR de 0,5 foram: 53,85% de monóxido de carbono, 19,31% de hidrogénio, 17,93% de dióxido de carbono e 8,83% de metano (% em moles). Para um SBR de 0,7 a composição à saída foi de 54,45% de monóxido de carbono, 19,01% de hidrogénio, 17,59% de dióxido de carbono e 8,87% de metano. Por fim, quando SBR foi igual a 1 a composição do gás à saída foi de 55,08% de monóxido de carbono, 18,69% de hidrogénio, 17,24% de dióxido de carbono e 8,90% de metano. Os valores da composição obtidos através da simulação, para uma mistura de ar e vapor de água, ER igual a 0,26 e SBR igual a 1, foram: 34,00% de monóxido de carbono, 14,65% de hidrogénio, 45,81% de dióxido de carbono e 5,41% de metano. A simulação permitiu-nos ainda dimensionar o gasificador e determinar alguns parâmetros hidrodinâmicos do gasificador, considerando que a reação “water-gas shift” era a limitante, e que se pretendia obter uma conversão de 95%. A velocidade de operação do gasificador foi de 4,7m/s e a sua altura igual a 0,73m, para um diâmetro de 0,20m.

Estudo e análise do impacto do sistema de alimentação de tração elétrica (1x25kV - rede convencional, 2x25kV - rede convencional + alta velocidade) na rede de transmissão

A rede de transporte ferroviária é um meio de transporte seguro, rápido e bastante utilizado pela população. Este facto fez com que os sistemas elétricos de tração tivessem uma grande evolução ao longo dos últimos anos nomeadamente, ao nível da alta velocidade. Por essa razão, é pertinente uma análise cuidada do impacto destes sistemas na rede de transporte. Neste trabalho é efetuado um pequeno resumo sobre os sistemas elétricos de tração desde as subestações até à alimentação das locomotivas. Aborda-se também a rede de transporte que se encontra a montante do sistema de tração que sofre perturbações provocadas pelos sistemas de tração. Por último realizou-se uma análise do impacto do sistema de tração na rede de transporte recorrendo à simulação no MATLABTM/Simulink. Analisou-se um conjunto de grandezas elétricas para diversos cenários, considerando a alimentação da catenária a 1x25 kV e 2x25 kV.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.