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.

Investigação de estratégias de controle digital para regulação de velocidade e emulação da dinâmica de turbinas hidráulicas, com implementação e testes experimentais em uma micromáquina de 10 KVA

Devido não ser comum o estudo de sistemas de potência em plantas reais como usinas hidrelétricas por causa dos riscos e custos que envolvem sua operação, dá-se preferência pela realização computacional de modelos matemáticos desse tipo de planta na resolução de problemas, desenvolvimento de novas tecnologias e formação de recursos humanos. No entanto, modelos realizados computacionalmente não proveem a experiência, visual, auditiva e tátil que um modelo físico real pode oferecer. Portanto, neste trabalho, apresenta-se a descrição e a modelagem de um sistema de geração em escala reduzida de 10kVA, que é um sistema físico real, composto por um motor CC, um gerador síncrono e transformadores, chamado também de sistema micromáquina, o qual faz parte da infraestrutura do Laboratório de Engenharia Elétrica da UFPA. Para este sistema, por intermédio deste trabalho de mestrado e do trabalho de mestrado de Moraes (2011), foram desenvolvido subsistemas eletrônicos e computacionais de acionamento, automação e controle para operá-lo de forma segura resultando em uma excelente plataforma didática para dar suporte às pesquisas em dinâmica e controle de sistemas de potência, bem como o desenvolvimento de trabalhos acadêmicos e de ensino. Nesse mesmo contexto, é apresentada uma proposta de técnica de emulação de turbina hidráulica, tendo como base o controle de potência aplicado ao motor CC do sistema micromáquina. Tal técnica foi desenvolvida principalmente com o propósito de dar suporte ao estudo e desenvolvimento de técnicas de regulação de velocidade de turbinas hidráulicas. Consequentemente, também é apresenta uma proposta de um regulador de velocidade digital para turbinas hidráulicas baseado na estrutura canônica RST de controle digital, cujos parâmetros são projetados por duas técnicas de projeto estudadas neste trabalho: o método de alocação polinomial de polos e o projeto de compensadores por atraso de fase pelo método de resposta em frequência para sistemas discretos. Logo para comprovar a eficácia das ferramentas de hardware, software e teóricas desenvolvidas neste trabalho, resultados de experimentos realizados no sistema micromáquina são apresentados e analisados.

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.

Técnica de controle preditivo baseado em modelo aplicada ao controle de tensão de um gerador síncrono - resultados experimentais

Neste trabalho serão apresentados os resultados da avaliação experimental de uma metodologia de controle digital preditivo auto-ajustavel aplicada ao controle de tensão de um sistema de geração de energia de escala reduzida. Um estimador recursivo baseado no conhecido método de mínimos quadrados é utilizado na etapa de identificação do controlador preditivo proposto. A etapa de cálculo da lei de controle é realizada com o algoritmo Generalized Predictive Controller (GPC). A avaliação experimental foi realizada com testes de resposta ao degrau e rastreamento aplicados em diferentes condições operacionais do sistema de potência estudado. Para fins de comparação, também serão apresentados os resultados da avaliação de um controlador auto-ajustável que utiliza o método de alocação de pólos para a síntese do sinal de controle e três controladores digitais com parâmetros fixos.

Projeto e avaliação experimental de uma estratégia baseada em análise intervalar aplicada ao projeto de estabilizador de sistemas de potência robusto implementado em um sistema de geração de 10KVA

Neste trabalho, são apresentados a metodologia de projeto e resultados de testes experimentais de um estabilizador de sistema de potência (ESP), implementado em um sistema de geração em escala reduzida de 10 kVA, localizado no Laboratório de Controle e Sistema de Potência (LACSPOT) da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto do ESP é baseado em uma estratégia de controle robusto com ênfase em incertezas paramétricas estruturadas, as quais são tratadas com ferramentas da teoria de análise intervalar. Estas incertezas são decorrentes de mudanças do ponto de operação do sistema, que provocam variações nos parâmetros de um modelo matemático linearizado referente ao comportamento dinâmico do sistema elétrico de potência no referido ponto de operação. Para o projeto do ESP robusto intervalar, são realizados uma serie de ensaios experimentais com o propósito de estimar os parâmetros de modelos linearizados da planta, representando satisfatoriamente a dinâmica dos modos poucos amortecidos do sistema de geração interligado. O método de identificação é baseado em técnica de identificação paramétrica, baseado em mínimos quadrados. A partir de um conjunto de dados de entrada e saída, para cada ponto de operação, um modelo linear, do tipo auto-regressivo com entrada exógenos (ARX), estimado para fim de uso do projeto do ESP. Por fim, uma série de testes experimentais é realizada no sistema de geração interligado a rede elétrica local, com o propósito de verificar a efetividade da técnica de controle robusto intervalar proposta para a sintonia do ESP. A partir da análise da função custo do sinal de erro de desvio de potência elétrica na saída do gerador síncrono e a função custo do sinal de controle do ESP comprova-se experimentalmente o bom desempenho obtido pela técnica de controle proposta em comparação com uma técnica de controle clássica.

Estratégias de controle de ordem fracionária aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Neste trabalho é proposta uma nova metodologia de projeto de estabilizadores de sistemas de potência baseada em teoria de sistemas de ordem fracionária (ESP-OF). A estratégia é baseada em uma generalização do projeto de compensadores do tipo rede avançoatraso (lead-lag) para o domínio de funções de transferência de ordem fracionária. Uma nova variável de projeto, a qual define a ordem da dinâmica fracionária do controlador, é sintonizada para se obter um compromisso entre um bom desempenho no amortecimento do modo eletromecânico dominante e uma robustez ampliada do ESP-OF. O desempenho do ESP-OF foi avaliado experimentalmente, em um sistema de potência em escala reduzida, localizado no Laboratório de Sistemas de Potência da Universidade Federal do Pará. A referida planta de teste apresenta uma estrutura típica do tipo gerador síncrono conectado a um barramento infinito e exibe um modo dominante de oscilação eletromecânica, de amortecimento extremamente reduzido, cujo valor da frequência natural é em torno de 1,2 Hz. O ESP-OF foi então projetado para ampliar o amortecimento relativo desse modo alvo, para toda a faixa de operação admissível. Para fins de implementação prática, primeiramente foram realizados testes experimentais para a identificação de um modelo nominal da planta, sob a forma de uma função de transferência pulsada, para uso na fase de projeto. O modelo obtido experimentalmente foi então validado e posteriormente utilizado tanto para o projeto do ESP-OF quanto para o projeto de um ESP convencional (utilizado para fins de comparação de desempenho). As leis de controle amortecedor do ESP-OF foram calculadas, convertidas para a forma de equações a diferenças e, subsequentemente, embarcadas em sistema digital baseado em microcontrolador DSPIC. Diversos testes de resposta ao impulso foram realizadas sob diferentes condições operacionais. As respectivas respostas dinâmicas dos sinais de saída da planta (desvio de potencia ativa) e do esforço de controle foram registradas para fins de análise. Os resultados experimentais mostraram que o ESP fracionário apresentou um desemprenho dinâmico e robustez similar em comparação com o desempenho obtido por um ESP convencional, para toda a faixa de operação investigada.

Metodologia prática para estimação de parâmetros de geradores síncronos a partir de medidas de perturbações

Este artigo propõe uma nova metodologia prática e robusta para estimar parâmetros de geradores síncronos. A metodologia proposta utiliza a análise de sensibilidade de trajetória combinada com uma nova abordagem, denominada 'abordagem de minimização' para estimação de parâmetros de sistemas dinâmicos não-lineares modelados por conjuntos de equações algébricos diferenciais. Uma escolha adequada de entradas e saídas permite a divisão da estimação de parâmetros do gerador na estimação independente dos parâmetros elétricos e mecânicos. A metodologia é robusta com relação às condições iniciais dos parâmetros, não requer execução de testes especiais e utiliza apenas medidas de perturbações de fácil obtenção (correntes e tensões trifásicas, tensão de campo e velocidade do rotor) coletadas do sistema de energia elétrica sem desconectar o gerador da rede.

Simulatore di interfaccia uomo-macchina per i controllo di UAV

Recent statistics have demonstrated that two of the most important causes of failures of the UAVs (Uninhabited Aerial Vehicle) missions are related to the low level of decisional autonomy of vehicles and to the man machine interface. Therefore, a relevant issue is to design a display/controls architecture which allows the efficient interaction between the operator and the remote vehicle and to develop a level of automation which allows the vehicle the decision about change in mission. The research presented in this paper focuses on a modular man-machine interface simulator for the UAV control, which simulates UAV missions, developed to experiment solution to this problem. The main components of the simulator are an advanced interface and a block defined automation, which comprehend an algorithm that implements the level of automation of the system. The simulator has been designed and developed following a user-centred design approach in order to take into account the operator’s needs in the communication with the vehicle. The level of automation has been developed following the supervisory control theory which says that the human became a supervisor who sends high level commands, such as part of mission, target, constraints, in then-rule, while the vehicle receives, comprehends and translates such commands into detailed action such as routes or action on the control system. In order to allow the vehicle to calculate and recalculate the safe and efficient route, in term of distance, time and fuel a 3D planning algorithm has been developed. It is based on considering UASs representative of real world systems as objects moving in a virtual environment (terrain, obstacles, and no fly zones) which replicates the airspace. Original obstacle avoidance strategies have been conceived in order to generate mission planes which are consistent with flight rules and with the vehicle performance constraints. The interface is based on a touch screen, used to send high level commands to the vehicle, and a 3D Virtual Display which provides a stereoscopic and augmented visualization of the complex scenario in which the vehicle operates. Furthermore, it is provided with an audio feedback message generator. Simulation tests have been conducted with pilot trainers to evaluate the reliability of the algorithm and the effectiveness and efficiency of the interface in supporting the operator in the supervision of an UAV mission. Results have revealed that the planning algorithm calculate very efficient routes in few seconds, an adequate level of workload is required to command the vehicle and that the 3D based interface provides the operator with a good sense of presence and enhances his awareness of the mission scenario and of the vehicle under his control.

Diseño y fabricación de un equipo de prácticas para el aprendizaje del proceso de sincronización de generadores síncronos a la red

La finalidad del proyecto es el diseño y la fabricación de un equipo de prácticas que permita a los alumnos ensayar el proceso de sincronización real de un generador síncrono a la red. El diseño consiste en un equipo de prácticas con el cual el alumno deberá acoplar el generador, previa verificación de la tensión, frecuencia y ángulo de fase con un sincronoscopio monofásico. Durante el proceso, el profesor podrá ir provocando errores de fase en las tensiones que el alumno deberá corregir. Al término del proceso, el alumno, si ha conseguido acoplar el generador, recibirá una calificación sobre diez en una pantalla LCD. Posteriormente se llevaran a cabo ensayos con alumnos voluntarios. ABSTRACT The purpose of the project is the design and manufacture of an equipment which allows students to perform the process of synchronization of a synchronous generator to the grid. The design consists of an equipment with which students must synchronize the generator to the grid, after checking voltage, frequency or phase angle with a single-phase synchronoscope. During that process, the teacher can cause phase angle errors in the voltage which students must solve. At the end of the process, if students have been able to synchronize the generator to the grid, they will receive a mark on an LCD screen. Afterwards a testing is going to be run by volunteers.

Ajuste e ensaio de sistemas de proteção de geradores síncronos.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta.

Modelagem e análise dinâmica de um sistema de conversão de energia eólica dotado de gerador síncrono de imã permanente utilizando a plataforma ATP

Human development requires a broad balance between ecological, social and economic factors in order to ensure its own sustainability. In this sense, the search for new sources of energy generation, with low deployment and operation costs, which cause the least possible impact to the environment, has been the focus of attention of all society segments. To do so, the reduction in exploration of fossil fuels and the encouragement of using renewable energy resources for distributed generation have proved interesting alternatives to the expansion of the energy matrix of various countries in the world. In this sense, the wind energy has acquired an increasingly significant role, presenting increasing rates of power grid penetration and highlighting technological innovations such as the use of permanent magnet synchronous generators (PMSG). In Brazil, this fact has also been noted and, as a result, the impact of the inclusion of this source in the distribution and sub-transmission power grid has been a major concern of utilities and agents connected to Brazilian electrical sector. Thus, it is relevant the development of appropriate computational tools that allow detailed predictive studies about the dynamic behavior of wind farms, either operating with isolated load, either connected to the main grid, taking also into account the implementation of control strategies for active/reactive power generation and the keeping of adequate levels of voltage and frequency. This work fits in this context since it comprises mathematical and computational developments of a complete wind energy conversion system (WECS) endowed with PMSG using time domain techniques of Alternative Transients Program (ATP), which prides itself a recognized reputation by scientific and academic communities as well as by electricity professionals in Brazil and elsewhere. The modeling procedures performed allowed the elaboration of blocks representing each of the elements of a real WECS, comprising the primary source (the wind), the wind turbine, the PMSG, the frequency converter, the step up transformer, the load composition and the power grid equivalent. Special attention is also given to the implementation of wind turbine control techniques, mainly the pitch control responsible for keeping the generator under the maximum power operation point, and the vector theory that aims at adjusting the active/reactive power flow between the wind turbine and the power grid. Several simulations are performed to investigate the dynamic behavior of the wind farm when subjected to different operating conditions and/or on the occurrence of wind intensity variations. The results have shown the effectiveness of both mathematical and computational modeling developed for the wind turbine and the associated controls.

Controle de uma microrrede ilhada baseada em geração eólica-diesel com alto nível de inserção de geração eólica

The insertion of distributed generation units in the electric power systems have contributed to the popularization of microgrid concepts. With the microgrids, several potential benefits can be achieved in regard to power quality and supply reliability. However, several technical challenges related to the control and operation of microgrids, which are associated with high insertion of generation systems based on static converters, must be overcame. Among the opportunities in the context of microgrids, there is the islanded operation of microgrids temporarily disconnected from the electric power systems and also the autonomous operation of geographically isolated microgrids. The frequency in large power systems is traditionally controlled by the generation units based on traditional synchronous generator. The insertion of distributed generation units based on static power converters may bring difficulties to the frequency control in microgrids, due to the reduction of the equivalent inertia of conventional synchronous generators present in islanded and isolated microgrids. In this context, it becomes necessary the proposition of new operational and control strategies for microgrids control, taking into account the presence of distributed generation units based on full-rated converter. This paper proposes an operational and control strategy for the islanded operation of a winddiesel microgrid with high insertion level of wind generation. The microgrid adopted in this study comprises of a wind energy conversion system with synchronous generator based on full rated converter, a diesel generator (DIG) and a dump load. Due to the high insertion level of wind generation, the wind unit operates in Vf mode and the diesel generator operates in PQ mode. The diesel generator and the dump load are used to regulate the DC-link voltage of the wind generation unit. The proposed control allows the islanded operation of the microgrid only with wind generation, wind-only mode (WO), and with wind-diesel generation, wind-diesel mode (WD). For the wind-only mode, with 100% of penetration level of wind generation, it is proposed a DC-link voltage control loop based on the use of a DC dump load. For the winddiesel mode, it is proposed a DC-link voltage control loop added to the diesel generator, which is connected to the AC side of the microgrid, in coordinated action with the dump load. The proposed operational and control strategy does not require the use of batteries and aims to maximize the energy production from wind generation, ensuring the uninterrupted operation of the microgrid. The results have showed that the operational and control strategy allowed the stable operation of the islanded microgrid and that the DC-link voltage control loop added to the diesel generator and the dump load proved to be effective during the typical variations of wind speed and load.

Improved high-speed de-excitation system for brushless synchronous machines tested on a 20 MVA hydro-generator

Synchronous machines with brushless excitation have the disadvantage that the field winding is not accessible for the de-excitation of the machine. This means that, despite the proper operation of the protection system, the slow de-excitation time constant may produce severe damage in the event of an internal short circuit. A high-speed de-excitation system for these machines was developed, and this study presents the continuation of a previously published study. This study presents the design by computer simulation and the results of the first commissioning of this de-excitation system in a commercial 20 MVA hydro-generator. The de-excitation is achieved by inserting resistance in the field circuit, obtaining a dynamic response similar to that achieved in machines with static excitation. In this case, a non-linear discharge resistor was used, making the dynamic response even better.

Simulation and experimental analysis of a brushless electrically excited synchronous machine with a hybrid rotor

Electrically excited synchronous machines with brushes and slip rings are popular but hardly used in inflammable and explosive environments. This paper proposes a new brushless electrically excited synchronous motor with a hybrid rotor. It eliminates the use of brushes and slip rings so as to improve the reliability and cost-effectiveness of the traction drive. The proposed motor is characterized with two sets of stator windings with two different pole numbers to provide excitation and drive torque independently. This paper introduces the structure and operating principle of the machine, followed by the analysis of the air-gap magnetic field using the finite-element method. The influence of the excitation winding's pole number on the coupling capability is studied and the operating characteristics of the machine are simulated. These are further examined by the experimental tests on a 16 kW prototype motor. The machine is proved to have good static and dynamic performance, which meets the stringent requirements for traction applications.

Comparison Between Voltage Control Structures of Synchronous Machines

This paper compares the behaviour of two different control structures of automatic voltage regulators of synchronous machines equipped with static excitation systems. These systems have a fully controlled thyristor bridge that supplies DC current to the rotor winding. The rectifier bridge is fed by the stator terminals through a step-down transformer. The first control structure, named ""Direct Control"", has a single proportional-integral (PI) regulator that compares stator voltage setpoint with measured voltage and acts directly on the thyristor bridge`s firing angle. This control structure is usually employed in commercial excitation systems for hydrogenerators. The second structure, named ""Cascade Control"", was inspired on control loops of commercial DC motor drives. Such drives employ two PIs in a cascade arrangement, the external PI deals with the motor speed while the internal one regulates the armature current. In the adaptation proposed, the external PI compares setpoint with the actual stator voltage and produces the setpoint to the internal PI-loop which controls the field current.