Técnica de projeto de controlador fuzzy aplicada ao acionamento vetorial de motor de indução

Este trabalho investiga uma estratégia de controle fuzzy Takagi-Sugeno aplicada ao controle de velocidade do motor de indução. A estratégia implementa uma interpolação ponderada entre um conjunto de controladores locais previamente projetados. Ao ocorrer variações nas condições operacionais do motor de indução, os ganhos da lei de controle são ajustados automaticamente, de modo a manter satisfatório o desempenho do sistema de controle. Para o projeto do controlador fuzzy a representação em espaço de estados da planta foi considerada sob a forma de um sistema aumentado, incluindo-se uma nova variável de estado que, nesse caso, foi selecionada como sendo a integral do erro de velocidade. Tal formulação permitiu o projeto de controladores locais com a estrutura PI, através de realimentação completa de estados, com posicionamento de pólos. Como variáveis de operação para o chaveamento fuzzy dos controladores locais, foram selecionados as variáveis velocidade angular do rotor e a componente da corrente de estator responsável pelo torque elétrico do motor. Em seguida, a estabilidade do controlador fuzzy Takagi- Sugeno projetado foi comprovada através do critério de Lyapunov, para isso o problema de estabilidade foi escrito na forma de LMIs. O desempenho do controlador fuzzy Takagi-Sugeno foi avaliado através de estudos de simulação, e seus resultados comparados ao desempenho de um controlador PI convencional, para a regulação da velocidade do rotor. Os resultados obtidos nas simulações mostram que o emprego da estratégia proposta torna o sistema mais robusto a variações paramétricas no sistema de acionamento.

Otimização de controladores utilizando algoritmos genéticos para melhoria da capacidade de sobrevivência a afundamentos de tensão de aerogeradores de indução duplamente excitados

Na presente tese propõe-se uma metodologia de ajuste ótimo dos controladores do conversor interligado ao rotor de aerogeradores de indução duplamente excitados (DFIG), utilizando algoritmos genéticos (AG), com o objetivo de melhorar a segurança e a robustez do sistema elétrico de potência, permitindo que os aerogeradores DFIG participem da gestão técnica do sistema. Para garantir este objetivo, é utilizada uma estratégia de proteção do tipo “crow-bar” durante a falta, mantendo o conversor interligado ao rotor conectado à máquina. Imediatamente após a eliminação da falta, o “crow-bar” é desativado, e simultaneamente os controladores ótimos do conversor interligado ao rotor são acionados, previamente ajustados pelo AG, a fim de melhorar a capacidade de sobrevivência a afundamentos de tensão “ridethrough capability” e a margem de estabilidade global do sistema elétrico. Para validação da metodologia ótima desenvolvida foram realizadas simulações computacionais utilizando uma rede elétrica real, em três condições operacionais distintas.

Implementação e testes de campo de um ESP digital

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado.

O estudo da influência do ciclo de partidas e paradas no estator de geradores síncronos

Os geradores síncronos se submetem a diferentes situações de paradas para desligamento forçado, desligamento por condições externas, desligamento programado para manutenção corretiva e preventiva. As diferentes variações de temperatura em que se submete o gerador síncrono, precisamente, ao seu estator, afeta o seu isolamento, que não acompanha essas constantes variações, devido ter um coeficiente de dilatação diferente. No presente trabalho busca-se identificar uma tendência de progressão do envelhecimento do isolamento de seus enrolamentos estatóricos em máquinas que sofrem repetitivas partidas e paradas e que ficam com sua reserva de energia desligada por muitas horas. O estudo foi aplicado nos cinco geradores síncronos da usina hidrelétrica de Balbina, pertencente ao grupo Eletrobrás, que apresenta tal problema. Esse estudo vem comprovar os ensaios de análise de descargas parciais dos geradores síncronos realizados periodicamente para diagnosticar problemas nos seus enrolamentos estatóricos que apresentam diferentes magnitudes e confirmar a hipótese de que máquinas que apresentam maiores magnitudes de descargas parciais em seus estatores são as que se submetem maiores quantidades de partidas e paradas e horas com energia de reserva desligada.

Bancada experimental para ensaios em geradores elétricos utilizados em aerogeradores de pequeno porte

Este trabalho apresenta uma bancada para testes em geradores elétricos, utilizados em aerogeradores de pequeno porte. O sistema é composto basicamente por um motor de indução trifásico, que simula um rotor eólico, acoplado mecanicamente ao gerador elétrico submetido ao ensaio; um inversor de frequência, usado para variação da velocidade do motor; transdutores de grandezas elétricas, que efetuam a medição dos parâmetros de interesse (tensões e correntes instantâneas) na saída do gerador; um sensor de velocidade angular, para medição da rotação que é fornecida ao eixo do motor; um microcomputador, para monitoração e armazenamento dos parâmetros medidos, e controle do inversor de frequência, por meio de um programa computacional desenvolvido; e uma placa de aquisição de dados, que serve como interface entre os transdutores/sensores e o microcomputador. A velocidade angular fornecida ao gerador em ensaio pode ser variada conforme valores fornecidos de velocidades de vento, as quais são associadas a valores correspondentes de rotação, a fim de simular o comportamento de um rotor eólico. Dessa forma, é possível traçar a curva de potência (potência versus velocidade de vento) do gerador ensaiado e analisar seu desempenho. Apresenta-se também neste trabalho os resultados de medições realizadas na bancada, referentes aos ensaios de um gerador comercial de pequena potência (1 kW) e de outro desenvolvido em projeto de pesquisa, ambos do tipo de imã permanente com fluxo axial.

Metodologia baseada em sistema fuzzy intervalar do tipo-2 para detecção e identificação de faltas de incipientes em motores de indução

Desde a incorporação da automação no processo produtivo, a busca por sistemas mais eficientes, objetivando o aumento da produtividade e da qualidade dos produtos e serviços, direcionou os estudos para o planejamento de estratégias que permitissem o monitoramento de sistemas com o intuito principal de torna-los mais autônomos e robustos. Por esse motivo, as pesquisas envolvendo o diagnóstico de faltas em sistemas industriais tornaram-se mais intensivas, visto a necessidade da incorporação de técnicas para monitoramente detalhado de sistemas. Tais técnicas permitem a verificação de perturbações, falta ou mesmo falhas. Em vista disso, essa trabalho investiga técnicas de detecção e diagnostico de faltas e sua aplicação em motores de indução trifásicos, delimitando o seu estudo em duas situações: sistemas livre de faltas, e sobre atuação da falta incipiente do tipo curto-circuitoparcial nas espiras do enrolamento do estator. Para a detecção de faltas, utilizou-se analise paramétrica dos parâmetros de um modelo de tempo discreto, de primeira ordem, na estrutura autoregressivo com entradas exógenas (ARX). Os parâmetros do modelo ARX, que trazem informação sobre a dinâmica dominante do sistema, são obtidos recursivamente pela técnica dos mínimos quadrados recursivos (MQR). Para avaliação da falta, foi desenvolvido um sistema de inferência fuzzy (SIF) intervala do tipo-2, cuja mancha de incerteza ou footprint of uncertainty (FOU), características de sistema fuzzy tipo-2, é ideal como forma de representar ruídos inerentes a sistemas reais e erros numéricos provenientes do processo de estimação paramétrica. Os parâmetros do modelo ARX são entradas para o SIF. Algoritmos genéricos (AG’s) foram utilizados para otimização dos SIF intervalares tipo-2, objetivando reduzir o erro de diagnóstico da falta identificada na saída desses sistemas. Os resultados obtidos em teste de simulação computacional demonstram a efetividade da metodologia proposta.

Controladores fuzzy aplicados ao conversor de geradores de indução duplamente excitados em sistemas eólicos integrados a sistemas de potência

Este artigo apresenta novas estratégias de controle fuzzy aplicadas ao conversor estático interligado ao rotor dos geradores de indução duplamente excitados (DFIG), em esquemas eólicos de velocidade variável, integrados a redes elétricas reais. As estratégias de controle propostas são do tipo fuzzy "look-up-table" com supervisão. O desempenho de tais reguladores, baseados em inteligência computacional, é comparado com o obtido com controladores PI's a parâmetros fixos, na ocorrência de faltas no sistema elétrico de potência. Esses controladores fuzzy são destinados a garantir a continuidade da operação dos conversores, e melhorar o desempenho transitório do sistema, em relação aos controladores convencionais. Os resultados apresentados confirmam a eficácia das estratégias de controle adotadas. O modelo físico dos aerogeradores, consistindo de um grande número de turbinas eólicas, foi implementado através de uma ferramenta de simulação dinâmica, desenvolvida no ambiente computacional MATLABTM.

Estudo experimental de técnicas de medição de descargas parciais nos enrolamentos estatóricos de hidrogeradores

Este trabalho tem como objetivo geral analisar experimentalmente técnicas para medição de descargas parciais nos enrolamentos estatóricos de hidrogeradores. Para atingir o objetivo proposto, primeiramente foi realizado um estudo bibliográfico sobre como é a estrutura dos enrolamentos do estator, com ênfase na isolação elétrica, assim como os conceitos de descargas parciais e técnicas empregadas para medição em hidrogeradores. Em seguida, foi montado em laboratório um arranjo experimental para o estudo das técnicas de medição de descargas parciais nos enrolamentos do estator utilizando seis acopladores diferentes, sendo quatro acopladores capacitivos convencionais de 80, 220, 500 e 1000 pF, e dois sistemas experimentais, uma antena SSC fabricada com microfita e um cabo coaxial RG 58, desencapado, utilizado como antena. A avaliação da sensibilidade destes seis sistemas foi divida em duas etapas: primeiro foi analisada a resposta dos acopladores à aplicação de um sinal conhecido de calibração e, em seguida, foi analisada a resposta dos mesmos durante ensaios com alta tensão. Para aplicação de um sinal conhecido de calibração os acopladores capacitivos apresentaram maior sensibilidade em relação à antena e ao cabo coaxial. Já a resposta durante os ensaios com alta tensão mostrou que a sensibilidade da antena é maior que a do método convencional de medição de descargas parciais em hidrogeradores, baseado em acopladores capacitivos de 80 e 220 pF. Os resultados obtidos em laboratório mostraram que a medição de descargas parciais através da antena pode ser realizada de forma satisfatória na avaliação da condição operacional dos enrolamentos do estator de hidrogeradores, sem perda significativa de informação e com aumento significativo de sensibilidade na quantificação do fenômeno, cerca de duas vezes maior que a sensibilidade do acoplador de 220 pF e quatro vezes a do acoplador de 80 pF.

Análise de sistemas de controle de vibração em máquinas rotativas utilizando atuadores formados por ligas com memória de forma

A aplicação das ligas com memória de forma (shape memory alloys – SMA) têm se mostrado como uma alternativa promissora no controle de vibração de máquinas e estruturas, devido principalmente aos fenômenos de memória de forma e pseudoelástico que elas apresentam. Do mesmo modo, tais ligas proporcionam grandes forças de recuperação e capacidade de amortecimento quando comparadas aos materiais tradicionais. Na literatura científica encontra-se um grande número de trabalhos que tratam da aplicação das SMA no controle de vibração em estruturas. Contudo, a aplicação desse tipo de material em máquinas rotativas ainda é um assunto pouco abordado. Nesse sentido, busca-se explorar numericamente o comportamento de atuadores baseados em ligas com memória de forma para o controle de vibração em máquinas rotativas. Na primeira análise deste trabalho um rotor tipo Jeffcott com luvas SMA em um dos mancais é utilizado. São empregadas diferentes espessuras de luvas nos estados martensítico e austenítico e as variações em termos de amplitude e frequência são então comparadas. Posteriormente, dois diferentes sistemas rotativos com dois discos e molas SMA aplicadas em um e dois mancais são estudados sob configurações variadas. As molas foram posicionadas externamente aos mancais e a temperatura de operação desses componentes é ajustada de acordo com a necessidade do controle de vibração. Além disso, foi utilizado um código computacional para a representação do comportamento termomecânico de molas SMA assim como um programa baseado no Método de Elementos Finitos (MEF) para a simulação do comportamento dinâmico dos rotores. Os resultados das análises numéricas demonstram que as SMA são eficientes no controle de vibração de sistemas rotativos devido obterem-se reduções significativas das amplitudes de deslocamento, modificações nas velocidades críticas, supressão de movimentos indesejáveis e controle das órbitas de precessão.

Implementação e análise do desempenho de técnicas de monitoramento através de medição de vibração e correlação com corrente estatórica

A crescente demanda por energia elétrica aliada à grande importância deste setor para o sistema econômico nacional tem levado o governo e empresas particulares a investirem em estudos que possibilitem melhorar o desempenho dos sistemas envolvidos nesse processo, em virtude dos relevantes ganhos que esta iniciativa pode produzir. Neste contexto, esse trabalho é uma contribuição ao estudo do desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico de defeitos para a máquina hidrogeradora número 3 da Usina Hidrelétrica de Coaracy Nunes, localizada no Estado do Amapá. Em muitas situações os métodos de análise de vibrações são utilizados para detectar a presença de falhas nesse tipo de máquina, neste trabalho também será utilizada a análise dos sinais de corrente para fornecer indicações similares. Este trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia de diagnóstico de defeito em máquinas elétricas através dos sinais de vibração e correlação com a análise da corrente do estator. No decorrer deste trabalho apresenta-se uma revisão bibliográfica das técnicas de monitoramento e diagnóstico das condições das máquinas elétricas, através dos ensaios de vibração correlacionados com as características da corrente estatórica. O resultado da correlação da medição de vibração com a medição de corrente se baseia em uma metodologia implementada por um sistema de aquisição e de processamento de dados desenvolvido na plataforma LabView. Os resultados experimentais foram obtidos a partir de defeitos mecânicos (desbalanceamento mecânico e defeitos nas pistas, externa e interna dos rolamentos) induzidos em uma bancada experimental concebida com intuito de representar um sistema de geração. Finalizando, os sinais de vibração e corrente foram analisados e comparados para verificar se os defeitos que foram evidenciados pelo método convencional de vibração alteravam o comportamento dos sinais de corrente. Os bons resultados desse trabalho mostram a viabilidade em estudos futuros nesta área.