Uso de engenharia de software no desenvolvimento de sistema especialista fuzzy para auxílio à manutenção preditiva em hidrogeradores

Os hidrogeradores são peças chaves no circuito brasileiro de energia, sua indisponibilidade e mau funcionamento podem causar multas altíssimas a concessionárias aplicadas pela ANEEL por não atenderem a demandas e até por paradas impróprias para efetivar manutenções, além de agravar confiabilidade na garantia do fornecimento aos consumidores finais. Para garantir que isso não venha acontecer, a manutenção preditiva fornece técnicas que podem apontar as falhas analisando os “sinais vitais” originados pelo próprio equipamento. Desta forma as condições mecânicas e operacionais são periodicamente monitoradas e quando as tendências são detectadas insalubres, as peças incômodas na máquina são identificadas e programadas para manutenção. Para que essa tendência seja encontrada, utiliza-se da lógica fuzzy para modelar o comportamento dos hidrogeradores, sendo mais especifico: mancais, estator e anel coletor, inferindo conclusões prováveis de falhas. Neste trabalho, mostra o processo de construção do sistema que auxilia no diagnóstico da manutenção preditiva, desde sua metodologia de desenvolvimento por macro-atividades, definição arquitetural, conformidade dos requisitos e análise do conhecimento inserido a inteligência do sistema. O sistema foi desenvolvido em plataforma labview para servir como ferramenta de apoio. Todo o conhecimento inserido no sistema foi obtido com o corpo especialista de Eletronorte e outra parte na literatura, foi necessário aplicar o conceito de regras ao maquina de inferência fuzzy, para uma forma linguística de fácil compreensão, para que os próprios especialistas ampliem e evolua o software.

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.

Desenvolvimento e implementação de estratégias de controle digital para regulação de tensão e amortecimento de oscilações eletromecânicas em um gerador síncrono de 10kVA

Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e a implementação de estratégias de controle digital para regulação automática de tensão e para o amortecimento de oscilações eletromecânicas em um sistema de potência em escala reduzida de 10kVA, localizado no Laboratório de Controle de Sistemas de Potência (LACSPOT), da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto dos dois controladores é baseado na técnica de alocação polinomial de polos. Para o projeto do Regulador Automático de Tensão (RAT) foi adotado um modelo simplificado, de primeira ordem, da máquina síncrona, cujos parâmetros foram levantados experimentalmente. Para o controlador amortecedor, por sua vez, também chamado de Estabilizador de Sistemas de Potência (ESP), foi utilizado um modelo discreto, do tipo auto regressivo com entrada exógena (ARX). Este modelo foi estimado por meio de técnicas de identificação paramétrica, considerando para tal, o conjunto motor-gerador interligado a um sistema de maior porte (concessionária de energia elétrica). As leis de controle foram embarcadas em um microcontrolador de alto desempenho e, para a medição dos sinais utilizados nos controladores, foi desenvolvida uma instrumentação eletrônica baseada em amplificadores operacionais para o condicionamento dos sinais dos sensores. O sinal de controle é baseado na técnica de modulação por largura de pulso (PWM) e comanda o valor médio da tensão de um conversor CC-CC, o qual é utilizado como circuito de excitação que energiza o enrolamento de campo do gerador. Além disso, o acionamento elétrico das máquinas que compõem o grupo gerador de 10kVA foi projetado e automatizado somando segurança aos operadores e ao componentes deste sistema de geração. Os resultados experimentais demonstraram o bom desempenho obtido pela estratégia proposta.

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.

Proposta de uma metodologia para obtenção de um gerador síncrono com rotor de ímãs permanentes inclinados axialmente para microcentrais elétrica a partir de motor de indução

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Combustão do hidrogênio em escoamento supersônico

This work investigated the operating conditions of a 'scramjet' through numerical simulation considering two-dimensional steady flow. Using a commercial software, FLUENT, cases of inviscid flow with and without fuel injection, turbulent flow without fuel injection, turbulent flow with fuel injection and without burning, and finally turbulent flow with fuel injection and burning are simulated

Pesquisa-ação sobre o uso de indicadores de desempenho do equipamento em uma fábrica de geradores

In the industrial environment the challenge is use better the productive resources: people and machine. The following work has the main goal improve the efficient losses analysis in the stator bar’s production bottleneck equipment situated in the Electric generator’s factory. The action research involved Theory of Constraints on the restriction system identification and developed the data collection framework by losses typology for indicator measurement. The research showed the data collection standardization importance to obtain reliable data and strategic efficiency indicator to optimize equipments. Besides of this, OEE and TEEP indicator demonstrated efficiency results to analyze the actual efficiency when the machine works and the increase capacity opportunity to treat the hide costs in the organization following the continuous improvement

Proposta de uma metodologia de rebobinamento para converter motor de indução trifásico em monofásico

This paper proposes the conversion of a three-phase induction motor into single phase through rewinding its stator. It presents a methodology to calculate this rewinding process considering the constructive parameters of the, such as number of slots and number of poles, for instance. The operating principles of DC motors are highlighted to introduce the logic involved in the calculation of lap and wave windings. The construction of the stator three-phase induction motor generally uses the lap winding, which is also used in single phase to perform the conversion. The rewinding process is widely used for reconstruction of industrial and residential electric motors that have suffered damage or present flaws with use. Therefore, many three-phase electric motors that are discarded or disposed of could be recovered by the method described in this work for a purpose that contributes to energy efficiency or simply saving resources in single-phase uses

Nanotubos óxidos aplicados a resinas compostas fotoativadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Aplicação da teoria de potência conservativa para monitoramento do comportamento do motor de indução trifásico sob distúrbios de qualidade de energia

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEB

Projeto de controladores robustos para acionamento de um motor de indução trifásico

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Sobre a aplicação de sistemas inteligentes para diagnóstico de falhas em máquinas de indução - uma visão geral

Muitas pesquisas estão sendo desenvolvidas buscando nos sistemas inteligentes soluções para diagnosticar falhas em máquinas elétricas. Estas falhas envolvem desde problemas elétricos, como curto-circuito numa das fases do estator, ate problemas mecânicos, como danos nos rolamentos. Dentre os sistemas inteligentes aplicados nesta área, destacam-se as redes neurais artificiais, os sistemas fuzzy, os algoritmos genéticos e os sistemas híbridos, como o neuro-fuzzy. Assim, o objetivo deste artigo é traçar um panorama geral sobre os trabalhos mais relevantes que se beneficiaram dos sistemas inteligentes nas diferentes etapas de análise e diagnóstico de falhas em motores elétricos, cuja principal contribuição está em disponibilizar diversos aspectos técnicos a fim de direcionar futuros trabalhos nesta área de aplicação.

Sistema de control para optimizar la eficiencia de un equipo fotovoltaico de bombeo directo accionado por un motor de inducción

El objetivo principal está recogido en el título de la Tesis. Ampliando éste para hacerlo más explícito, puede decirse que se trata de “desarrollar un sistema de control para que una instalación fotovoltaica de bombeo directo con una bomba centrífuga accionada por un motor de inducción trabaje de la forma más eficiente posible”. Para lograr ese propósito se establecieron los siguientes objetivos específicos: 1. Diseñar y construir un prototipo de instalación fotovoltaica de bombeo directo que utilice principalmente elementos de bajo coste y alta fiabilidad. Para cumplir esos requisitos la instalación consta de un generador fotovoltaico con módulos de silicio monocristalino, una bomba centrífuga accionada por un motor de inducción y un inversor que controla vectorialmente el motor. Los módulos de silicio monocristalino, el motor asíncrono y la bomba centrífuga son, en sus respectivas categorías, los elementos más robustos y fiables que existen, pudiendo ser adquiridos, instalados e incluso reparados (el motor y la bomba) por personas con una mínima formación técnica en casi cualquier lugar del mundo. El inversor no es tan fiable ni fácil de reparar. Ahora bien, para optimizar la potencia que entrega el generador y tener algún tipo de control sobre el motor se necesita al menos un convertidor electrónico. Por tanto, la inclusión del inversor en el sistema no reduce su fiabilidad ni supone un aumento del coste. La exigencia de que el inversor pueda realizar el control vectorial del motor responde a la necesidad de optimizar tanto la operación del conjunto motor-bomba como la del generador fotovoltaico. Como más adelante se indica, lograr esa optimización es otro de los objetivos que se plantea. 2. Reducir al mínimo el número de elementos de medida y control que necesita el sistema para su operación (sensorless control). Con ello se persigue aumentar la robustez y fiabilidad del sistema y reducir sus operaciones de mantenimiento, buscando que sea lo más económico posible. Para ello se deben evitar todas las medidas que pudieran ser redundantes, tomando datos sólo de las variables eléctricas que no pueden obtenerse de otra forma (tensión e intensidad en corriente continua y dos intensidades en corriente alterna) y estimando la velocidad del rotor (en vez de medirla con un encoder u otro dispositivo equivalente). 3. Estudiar posibles formas de mejorar el diseño y la eficiencia de estas instalaciones. Se trata de establecer criterios para seleccionar los dispositivos mas eficientes o con mejor respuesta, de buscar las condiciones para la operación óptima, de corregir problemas de desacoplo entre subsistemas, etc. Mediante el análisis de cada una de las partes de las que consta la instalación se plantearán estrategias para minimizar pérdidas, pautas que permitan identificar los elementos más óptimos y procedimientos de control para que la operación del sistema pueda alcanzar la mayor eficiente posible. 4. Implementar un modelo de simulación del sistema sobre el que ensayar las estrategias de control que sean susceptibles de llevar a la práctica. Para modelar el generador fotovoltaico se requiere un conjunto de parámetros que es necesario estimar previamente a partir de datos obtenidos de los catálogos de los módulos a utilizar o mediante ensayos. Igual sucede con los parámetros para modelar el motor. Como se pretende que el motor trabaje siempre con la máxima eficiencia será necesario realizar su control vectorial, por lo que el modelo que se implemente debe ser también vectorial. Ahora bien, en el modelo vectorial estándar que normalmente se utiliza en los esquemas de control se consideran nulas las pérdidas en el hierro, por lo que sólo se podrá utilizar ese modelo para evaluar la eficiencia del motor si previamente se modifica para que incluya el efecto de dichas pérdidas. 5. Desarrollar un procedimiento de control para que el inversor consiga que el motor trabaje con mínimas pérdidas y a la vez el generador entregue la máxima potencia. Tal como se ha mencionado en el primer objetivo, se trata de establecer un procedimiento de control que determine las señales de consigna más convenientes para que el inversor pueda imponer en cada momento al motor las corrientes de estator para las que sus pérdidas son mínimas. Al mismo tiempo el procedimiento de control debe ser capaz de variar las señales de consigna que recibe el inversor para que éste pueda hacer que el motor demande más o menos potencia al generador fotovoltaico. Actuando de esa forma se puede lograr que el generador fotovoltaico trabaje entregando la máxima potencia. El procedimiento de control desarrollado se implementará en un DSP encargado de generar las señales de referencia que el inversor debe imponer al motor para que trabaje con mínimas pérdidas y a la vez el generador fotovoltaico entregue la máxima potencia.

Development and improvement of protection-system algorithms for ground-fault detection and location in synchronous machines

Uno de los defectos más frecuentes en los generadores síncronos son los defectos a tierra tanto en el devanado estatórico, como de excitación. Se produce un defecto cuando el aislamiento eléctrico entre las partes activas de cualquiera de estos devanados y tierra se reduce considerablemente o desaparece. La detección de los defectos a tierra en ambos devanados es un tema ampliamente estudiado a nivel industrial. Tras la detección y confirmación de la existencia del defecto, dicha falta debe ser localizada a lo largo del devanado para su reparación, para lo que habitualmente el rotor debe ser extraído del estator. Esta operación resulta especialmente compleja y cara. Además, el hecho de limitar la corriente de defecto en ambos devanados provoca que el defecto no sea localizable visualmente, pues apenas existe daño en el generador. Por ello, se deben aplicar técnicas muy laboriosas para localizar exactamente el defecto y poder así reparar el devanado. De cara a reducir el tiempo de reparación, y con ello el tiempo en que el generador esta fuera de servicio, cualquier información por parte del relé de protección acerca de la localización del defecto resultaría de gran utilidad. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de nuevos algoritmos que permitan la estimación de la localización de los defectos a tierra tanto en el devanado rotórico como estatórico de máquinas síncronas. Respecto al devanado de excitación, se ha presentado un nuevo método de localización de defectos a tierra para generadores con excitación estática. Este método permite incluso distinguir si el defecto se ha producido en el devanado de excitación, o en cualquiera de los componentes del sistema de excitación, esto es, transformador de excitación, conductores de alimentación del rectificador controlado, etc. En caso de defecto a tierra en del devanado rotórico, este método proporciona una estimación de su localización. Sin embargo, para poder obtener la localización del defecto, se precisa conocer el valor de resistencia de defecto. Por ello, en este trabajo se presenta además un nuevo método para la estimación de este parámetro de forma precisa. Finalmente, se presenta un nuevo método de detección de defectos a tierra, basado en el criterio direccional, que complementa el método de localización, permitiendo tener en cuenta la influencia de las capacidades a tierra del sistema. Estas capacidades resultan determinantes a la hora de localizar el defecto de forma adecuada. En relación con el devanado estatórico, en esta tesis doctoral se presenta un nuevo algoritmo de localización de defectos a tierra para generadores que dispongan de la protección de faltas a tierra basada en la inyección de baja frecuencia. Se ha propuesto un método general, que tiene en cuenta todos los parámetros del sistema, así como una versión simplificada del método para generadores con capacidades a tierra muy reducida, que podría resultar de fácil implementación en relés de protección comercial. Los algoritmos y métodos presentados se han validado mediante ensayos experimentales en un generador de laboratorio de 5 kVA, así como en un generador comercial de 106 MVA con resultados satisfactorios y prometedores. ABSTRACT One of the most common faults in synchronous generators is the ground fault in both the stator winding and the excitation winding. In case of fault, the insulation level between the active part of any of these windings and ground lowers considerably, or even disappears. The detection of ground faults in both windings is a very researched topic. The fault current is typically limited intentionally to a reduced level. This allows to detect easily the ground faults, and therefore to avoid damage in the generator. After the detection and confirmation of the existence of a ground fault, it should be located along the winding in order to repair of the machine. Then, the rotor has to be extracted, which is a very complex and expensive operation. Moreover, the fact of limiting the fault current makes that the insulation failure is not visually detectable, because there is no visible damage in the generator. Therefore, some laborious techniques have to apply to locate accurately the fault. In order to reduce the repair time, and therefore the time that the generator is out of service, any information about the approximate location of the fault would be very useful. The main objective of this doctoral thesis has been the development of new algorithms and methods to estimate the location of ground faults in the stator and in the rotor winding of synchronous generators. Regarding the excitation winding, a new location method of ground faults in excitation winding of synchronous machines with static excitation has been presented. This method allows even to detect if the fault is at the excitation winding, or in any other component of the excitation system: controlled rectifier, excitation transformer, etc. In case of ground fault in the rotor winding, this method provides an estimation of the fault location. However, in order to calculate the location, the value of fault resistance is necessary. Therefore, a new fault-resistance estimation algorithm is presented in this text. Finally, a new fault detection algorithm based on directional criterion is described to complement the fault location method. This algorithm takes into account the influence of the capacitance-to-ground of the system, which has a remarkable impact in the accuracy of the fault location. Regarding the stator winding, a new fault-location algorithm has been presented for stator winding of synchronous generators. This algorithm is applicable to generators with ground-fault protection based in low-frequency injection. A general algorithm, which takes every parameter of the system into account, has been presented. Moreover, a simplified version of the algorithm has been proposed for generators with especially low value of capacitance to ground. This simplified algorithm might be easily implementable in protective relays. The proposed methods and algorithms have been tested in a 5 kVA laboratory generator, as well as in a 106 MVA synchronous generator with satisfactory and promising results.

Multiclassificador inteligente de falhas no domínio do tempo em motores de indução trifásicos alimentados por inversores de frequência

Os motores de indução desempenham um importante papel na indústria, fato este que destaca a importância do correto diagnóstico e classificação de falhas ainda em fase inicial de sua evolução, possibilitando aumento na produtividade e, principalmente, eliminando graves danos aos processos e às máquinas. Assim, a proposta desta tese consiste em apresentar um multiclassificador inteligente para o diagnóstico de motor sem defeitos, falhas de curto-circuito nos enrolamentos do estator, falhas de rotor e falhas de rolamentos em motores de indução trifásicos acionados por diferentes modelos de inversores de frequência por meio da análise das amplitudes dos sinais de corrente de estator no domínio do tempo. Para avaliar a precisão de classificação frente aos diversos níveis de severidade das falhas, foram comparados os desempenhos de quatro técnicas distintas de aprendizado de máquina; a saber: (i) Rede Fuzzy Artmap, (ii) Rede Perceptron Multicamadas, (iii) Máquina de Vetores de Suporte e (iv) k-Vizinhos-Próximos. Resultados experimentais obtidos a partir de 13.574 ensaios experimentais são apresentados para validar o estudo considerando uma ampla faixa de frequências de operação, bem como regimes de conjugado de carga em 5 motores diferentes.