Estudo de estratégias de otimização para poços de petróleo com elevação por bombeio de cavidades progressivas

The progressing cavity pump artificial lift system, PCP, is a main lift system used in oil production industry. As this artificial lift application grows the knowledge of it s dynamics behavior, the application of automatic control and the developing of equipment selection design specialist systems are more useful. This work presents tools for dynamic analysis, control technics and a specialist system for selecting lift equipments for this artificial lift technology. The PCP artificial lift system consists of a progressing cavity pump installed downhole in the production tubing edge. The pump consists of two parts, a stator and a rotor, and is set in motion by the rotation of the rotor transmitted through a rod string installed in the tubing. The surface equipment generates and transmits the rotation to the rod string. First, is presented the developing of a complete mathematical dynamic model of PCP system. This model is simplified for use in several conditions, including steady state for sizing PCP equipments, like pump, rod string and drive head. This model is used to implement a computer simulator able to help in system analysis and to operates as a well with a controller and allows testing and developing of control algorithms. The next developing applies control technics to PCP system to optimize pumping velocity to achieve productivity and durability of downhole components. The mathematical model is linearized to apply conventional control technics including observability and controllability of the system and develop design rules for PI controller. Stability conditions are stated for operation point of the system. A fuzzy rule-based control system are developed from a PI controller using a inference machine based on Mandami operators. The fuzzy logic is applied to develop a specialist system that selects PCP equipments too. The developed technics to simulate and the linearized model was used in an actual well where a control system is installed. This control system consists of a pump intake pressure sensor, an industrial controller and a variable speed drive. The PI control was applied and fuzzy controller was applied to optimize simulated and actual well operation and the results was compared. The simulated and actual open loop response was compared to validate simulation. A case study was accomplished to validate equipment selection specialist system

Uma proposta de regulador nebuloso para geradores eólicos de indução

This work presents a proposal for a voltage and frequency control system for a wind power induction generator. It has been developed na experimental structure composes basically by a three phase induction machine, a three phase capacitor and a reactive static Power compensator controlled by histeresys. lt has been developed control algorithms using conventional methods (Pl control) and linguistic methods (using concepts of logic and fuzzy control), to compare their performances in the variable speed generator system. The control loop was projected using the ADJDA PCL 818 model board into a Pentium 200 MHz compu ter. The induction generator mathematical model was studied throught Park transformation. It has been realized simulations in the Pspice@ software, to verify the system characteristics in transient and steady-state situations. The real time control program was developed in C language, possibilish verify the algorithm performance in the 2,2kW didatic experimental system

Metodologia para avaliação do desempenho de receptor de GPS de uso agrícola em condição cinemática

Activities that use Global Navigation Satellite System (GNSS) are countless and the most used one is the Global Positioning System (GPS) developed by the United States. In precision agriculture there are demands for static and cinematic positioning with distinct levels of accuracy for different applications; nevertheless cinematic performance data are not available as manufacturers of GPS receivers present only static performance information. For this reason it was developed an instrumented vehicle to test a methodology of performance evaluation of GPS receivers in kinematic conditions, which is representative to agricultural operations. A set of instrumentation was composed and used for collecting data under variable speed and rotation direction. Tests were conducted showing that the methodology allows to measure accuracy and precision, but improvements have to be implemented on the instrumentation equipment for long term tests.

Estratégia de conversor para interligação de sistemas de geração eólica à rede elétrica

Currently, there are several power converter topologies applied to wind power generation. The converters allow the use of wind turbines operating at variable speed, enabling better use of wind forces. The high performance of the converters is being increasingly demanded, mainly because of the increase in the power generation capacity by wind turbines, which gave rise to various converter topologies, such as parallel or multilevel converters. The use of converters allow effective control of the power injected into the grid, either partially, for the case using partial converter, or total control for the case of using full converter. The back-to-back converter is one of the most used topologies in the market today, due to its simple structure, with few components, contributing to robust and reliable performance. In this work, is presented the implementation of a wind cogeneration system using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) associated with a back-to-back power converter is proposed, in order to inject active power in an electric power system. The control strategy of the active power delivered to the grid by cogeneration is based on the philosophy of indirect control

A simplified method for determining the high frequency induction motor equivalent electrical circuit parameters to be used in EMI effect

The aim of this paper is to present a simple method for determining the high frequency parameters of a three-phase induction motor to be used in studies involving variable speed drives with PWM three-phase inverters, in which it is necessary to check the effects caused to the motor by the electromagnetic interference, (EMI) in the differential mode, as well as in the common mode. The motor parameters determination is generally performed in adequate laboratories using accurate instruments, such as very expensive RLC bridges. The method proposed here consists in the identification of the motor equivalent electrical circuit parameters in rated frequency and in high frequency through characteristic tests in the laboratory, together with the use of characteristic equations and curves, shown in the references to be mentioned for determining the motor high frequency parasite capacitances and also through system simulations using dedicated software, like Pspice, determining the characteristic waveforms involved in the differential and common mode phenomena, comparing and validating the procedure through published papers [01].

Um novo sistema de refrigeração com controle de temperatura, compressor aberto, máquina de indução trifásica com velocidade variável e correção ativa do fator de potência do estágio de entrada

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise de viabilidade técnica-econômica para a aplicação de inversores de frequência em sistemas de bombeamento de baixa potência

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Análise da área de vulnerabilidade e estabilidade de tensão em sistemas elétricos com a inserção de parques eólicos

A presente dissertação de mestrado avalia os afundamentos e a estabilidade de tensão de um sistema elétrico real com inserção de parques eólicos. Os estudos de afundamentos de tensão servem de base para a determinação das áreas de vulnerabilidade do sistema elétrico, nas quais, por sua vez, são investigados os aspectos referentes à instabilidade de tensão ocasionada pela integração de parques eólicos com geradores assíncronos. Para este fim, é utilizado o programa computacional ANAQUALI, desenvolvido pelo CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica). No estudo do comportamento dinâmico da tensão decorrente de curto-circuito, no qual o sistema eólico é inserido nas concepções de velocidade fixa e velocidade variável, utiliza-se um programa computacional desenvolvido no aplicativo MATLABTM. Os resultados dessas simulações evidenciam que o sistema eólico de velocidade variável proporciona uma maior margem de estabilidade de tensão ao sistema elétrico, devido à presença do controle de velocidade e de tensão. Estes estudos não são comumente aplicados aos sistemas de geração distribuída, e por isso, esta dissertação contribui também neste aspecto, podendo seus resultados servir de base para o planejamento de centrais cólicas inseridas em sistemas elétricos convencionais.

Ferramenta computacional para análise do potencial de bombeamento de água utilizando aerogeradores de pequeno porte acoplados a motobombas por meio de inversores de frequência

O objetivo desta dissertação é desenvolver uma ferramenta computacional para a análise do potencial de bombeamento de água com base nos valores de velocidades de vento de uma localidade, utilizando um aerogerador de pequeno porte acoplado a um conjunto motobomba convencional, por intermédio de um inversor de frequência. No trabalho são apresentados dois métodos para o cálculo da vazão. O método 1 utiliza um modelo teórico, enquanto que no método 2 o modelamento é feito a partir de dados de bombeamento obtidos em laboratório. Os dois métodos descrevem o funcionamento de um sistema de bombeamento de água envolvendo os equipamentos citados. Utilizando os modelos matemáticos descritos, foi criado um programa em linguagem Delphi®, para a obtenção dos valores de vazão e volume de água bombeada, além do número de pessoas que podem ser atendidas, com base nos dados de velocidade de vento do local, para com isso, ser possível analisar a viabilidade ou não de instalação do sistema. O funcionamento do programa é descrito através de um exemplo, que contém valores reais de velocidade de vento, e cujos resultados são analisados de forma a possibilitar seu entendimento.

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.

Acionamento vetorial por controlador fuzzy modo deslizante de motor de indução

Este trabalho estuda a técnica de acionamento vetorial aplicado ao motor de indução trifásico (MIT), utilizando como estratégia de controle a combinação de controle fuzzy com controladores chaveados do tipo modo deslizante, em uma configuração aqui denominada de Controlador Fuzzy Modo Deslizante (FSMC – Do inglês: Fuzzy Sliding Mode Control). Um modelo dinâmico do MIT é desenvolvido em variáveis ‘d-q’ o que conduziu a um modelo eletromecânico em espaço de estados que exibe fortes não linearidades. A este modelo são aplicadas as condições de controle vetorial que permitem desacoplar o torque e o fluxo no MIT, de maneira que o seu comportamento dinâmico se assemelha àquele verificado em uma máquina de corrente contínua. Nesta condição, são implementados controladores do tipo proporcional e integral (PI) às malhas de controle de corrente e velocidade do motor, e são realizadas simulações computacionais para o rastreamento de velocidade e perturbação de carga, o que levam a resultados satisfatórios do ponto de vista dinâmico. Visando investigar o desempenho das estratégias não lineares nesta abordagem é apresentado o estudo da técnica de controle a estrutura chaveada do tipo modo deslizante. Um controlador modo deslizante convencional é implementado, onde se verifica que, a despeito do excelente desempenho dinâmico a ocorrência do fenômeno do “chettering” inviabiliza a aplicação desta estratégia em testes reais. Assim, é proposta a estratégia de controle FSMC, buscando associar o bom resultado dinâmico obtido com o controlador modo deslizante e a supressão do fenômeno do chettering, o que se atinge pela definição de uma camada de chaveamento do tipo Fuzzy. O controlador FSMC proposto é submetido aos mesmos testes computacionais que o controlador PI, conduzindo a resultados superiores a este último no transitório da resposta dinâmica, porém com a presença de erro em regime permanente. Para atacar este problema é implementada uma combinação Fuzzy das estratégias FSMC com a ação de controle PI, onde o primeiro busca atuar em regiões afastadas da superfície de chaveamento e o segundo busca introduzir o efeito da ação integral próximo à superfície. Os resultados obtidos mostram a viabilidade da estratégia em acionamento de velocidade variável que exigem elevado desempenho dinâmico.

Grid Connected Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine under LVRT

This project concentrates on the Low Voltage Ride Through (LVRT) capability of Doubly Fed Induction Generator (DFIG) wind turbine. The main attention in the project is, therefore, drawn to the control of the DFIG wind turbine and of its power converter and to the ability to protect itself without disconnection during grid faults. It provides also an overview on the interaction between variable speed DFIG wind turbines and the power system subjected to disturbances, such as short circuit faults. The dynamic model of DFIG wind turbine includes models for both mechanical components as well as for all electrical components, controllers and for the protection device of DFIG necessary during grid faults. The viewpoint of this project is to carry out different simulations to provide insight and understanding of the grid fault impact on both DFIG wind turbines and on the power system itself. The dynamic behavior of DFIG wind turbines during grid faults is simulated and assessed by using a transmission power system generic model developed and delivered by Transmission System Operator in the power system simulation toolbox Digsilent, Matlab/Simulink and PLECS.

Mathematical model for manoeuvrability of a riverine support patrol vessel with a pump-jet propulsion system

A study on the manoeuvrability of a riverine support patrol vessel is made to derive a mathematical model and simulate maneuvers with this ship. The vessel is mainly characterized by both its wide-beam and the unconventional propulsion system, that is, a pump-jet type azimuthal propulsion. By processing experimental data and the ship characteristics with diverse formulae to find the proper hydrodynamic coefficients and propulsion forces, a system of three differential equations is completed and tuned to carry out simulations of the turning test. The simulation is able to accept variable speed, jet angle and water depth as input parameters and its output consists of time series of the state variables and a plot of the simulated path and heading of the ship during the maneuver. Thanks to the data of full-scale trials previously performed with the studied vessel, a process of validation was made, which shows a good fit between simulated and full-scale experimental results, especially on the turning diameter

Energy- and environmentally efficient road management: The case of the Spanish motorway network

Transport is responsible for 41% of CO2 emissions in Spain, and around 65% of that figure is due to road traffic. Tolled motorways are currently managed according to economic criteria: minimizing operational costs and maximizing revenues from tolls. Within this framework, this paper develops a new methodology for managing motorways based on a target of maximum energy efficiency. It includes technological and demand-driven policies, which are applied to two case studies. Various conclusions emerge from this study. One is, that the use of intelligent payment systems is recommended; and another, is that the most sustainable policy would involve defining the most efficient strategy for each motorway section, including the maximum use of its capacity, the toll level which attracts the most vehicles, and the optimum speed limit for each type of vehicle.

Understanding how to reduce road transport emissions : modelling the impact of eco-driving

Entre los problemas medioambientales más trascendentales para la sociedad, se encuentra el del cambio climático así como el de la calidad del aire en nuestras áreas metropolitanas. El transporte por carretera es uno de los principales causantes, y como tal, las administraciones públicas se enfrentan a estos problemas desde varios ángulos: Cambios a modos de transporte más limpios, nuevas tecnologías y combustibles en los vehículos, gestión de la demanda y el uso de tecnologías de la información y la comunicación (ICT) aplicadas al transporte. En esta tesis doctoral se plantea como primer objetivo el profundizar en la comprensión de cómo ciertas medidas ICT afectan al tráfico, las emisiones y la propia dinámica de los vehículos. El estudio se basa en una campaña de recogida de datos con vehículos flotantes para evaluar los impactos de cuatro medidas concretas: Control de velocidad por tramo, límites variables de velocidad, limitador de velocidad (control de crucero) y conducción eficiente (eco‐driving). Como segundo objetivo, el estudio se centra en la conducción eficiente, ya que es una de las medidas que más ahorros de combustible presenta a nivel individual. Aunque estas reducciones están suficientemente documentadas en la literatura, muy pocos estudios se centran en estudiar el efecto que los conductores eficientes pueden tener en el flujo de tráfico, y cuál sería el impacto si se fuera aumentando el porcentaje de este tipo de conductores. A través de una herramienta de microsimulación de tráfico, se han construido cuatro modelos de vías urbanas que se corresponden con una autopista urbana, una arteria, un colector y una vía local. Gracias a los datos recogidos en la campaña de vehículos flotantes, se ha calibrado el modelo, tanto el escenario base como el ajuste de parámetros de conducción para simular la conducción eficiente. En total se han simulado 72 escenarios, variando el tipo de vía, la demanda de tráfico y el porcentaje de conductores eficientes. A continuación se han calculado las emisiones de CO2 and NOx mediante un modelo de emisiones a nivel microscópico. Los resultados muestran que en escenarios con alto porcentaje de conductores eficientes y altas demandas de tráfico las emisiones aumentan. Esto se debe a que las mayores distancias de seguridad y las aceleraciones y frenadas suaves hacen que aumente la congestión, produciendo así mayores emisiones a nivel global. Climate change and the reduced air quality in our metropolitan areas are two of the main environmental problems that the society is addressing currently. Being road transportation one of the main contributors, public administrations are facing these problems from different points of view: shift to cleaner modes, new fuels and vehicle technologies, demand management and the use of information and communication technologies (ICT) applied to transportation. The first objective of this thesis is to understand how certain ICT measures affect traffic, emissions and vehicle dynamics. The study is based on a data collection campaign with floating vehicles to evaluate the impact of four specific measures: section speed control, variable speed limits, cruise control and eco‐driving. The second objective of the study focuses on eco‐driving, as it is one of the measures that present the largest fuel savings at an individual level. Although these savings are well documented in the literature, few studies focus on how ecodrivers affect the surrounding vehicles and the traffic, and what would be the impact in case of different eco‐drivers percentage. Using a traffic micro‐simulation tool, four models in urban context have been built, corresponding to urban motorway, urban arterial, urban collector and a local street. Both the base‐case and the parameters setting to simulate eco‐driving have been calibrated with the data collected through floating vehicles. In total 72 scenarios were simulated, varying the type of road, traffic demand and the percentage of eco‐drivers. Then, the CO2 and NOx emissions have been estimated through the use of an emission model at microscopic level. The results show that in scenarios with high percentage of co‐drivers and high traffic demand the emissions rise. Higher headways and smooth acceleration and decelerations increase congestion, producing higher emissions globally.