Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Janelas inteligentes com efeito de memória

Neste trabalho foi desenvolvido um controlador electrónico de potência capaz de actuar sobre a janela inteligente por forma a permitir a transição do estado opaco para o estado transparente. O controlador foi desenhado com o propósito de ser o único elemento necessário para o funcionamento das janelas inteligentes, evitando assim a utilização de uma parafernália de equipamentos isolados, ligados entre si, para executarem o mesmo propósito. A topologia utilizada para criar este controlador baseou-se num módulo rectificador AC/DC, seguido por um módulo Buck e terminado por um inversor do tipo Boost. Esta topologia permitiu que se alcançasse uma grande amplitude de tensões á saída, as quais variam entre os 0V e os 600V, necessárias para o desenvolvimento das janelas inteligentes. Esta solução foi pensada por forma a permitir, no futuro, o desenvolvimento de um controlador capaz de fazer a transição do estado transparente para opaco e a ligação ao software laboratorial LabView para recolha de dados e interpretação dos mesmos.

Adaptação de variadores industriais à excitação de geradores assíncronos: aplicação em turbinas Savonius

Este trabalho é um contributo para o desenvolvimento de sistemas de conversão de energia eólica em energia eléctrica em equipamentos comercialmente disponíveis. Com base na recolha de dados meteorológicos, foi caracterizada a disponibilidade da energia eólica num local de instalação de um sistema de geração de energia eléctrica. A exploração dos recursos eólicos pode ser caracterizada por intermédio de geradores eléctricos accionados por turbinas de eixo vertical ou de eixo horizontal. O sistema de geração projectado utiliza como gerador eléctrico a máquina assíncrona de rotor em curto-circuito accionada por uma turbina de eixo vertical do tipo Savonius. No que respeita a conversão electromecânica de energia, para realizar a excitação do gerador de indução e o controlo da potência entregue à rede, foi utilizado um conversor electrónico industrial do tipo regenerativo dedicado a accionamentos de velocidade variável. A estratégia de controlo utilizada, nos modelos desenvolvidos para simulação do sistema de geração proposto, utiliza a técnica de controlo vectorial de orientação de campo para realizar o controlo do binário do gerador de indução, colocando-o em modo de frenagem, através do qual é recolhida energia eléctrica. Tendo em vista a comprovação experimental do desempenho do sistema proposto, foi realizado em laboratório um protótipo. Neste protótipo a turbina Savonius é simulada por um accionamento mecânico constituído por um conjunto variador de velocidade - máquina síncrona de magnetos permanentes. O controlo do sistema é feito por intermédio de um processador digital de sinal (DSP). O DSP impõe a dinâmica desejada para turbina ao seu simulador electromecânico, faz o tratamento dos dados adquiridos no sistema gerador, implementa o seu controlo e estabelece a interface humano-máquina. O modelo teórico proposto para o sistema de geração e a estratégia de controlo adoptada são validados por comparação entre resultados de simulação numérica e os correspondentes resultados experimentais.

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).

Controlo directo de binário de uma máquina assíncrona trifásica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

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.

Desenvolvimento de uma caixa de velocidades electrónica para um motor polifásico de pólos variáveis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de armazenamento de energia com base em baterias e no ondulador de tensão trifásico

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Conversor DC-DC com busca de ponto de potência máxima (MPPT) para painéis solares

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Seguidor do ponto de máxima potência multi-conversor para sistemas solares fotovoltaicos

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Conversor CA-CA de elevado fator de potência para aplicações com geradores de Ímã permanente

This paper proposes and describes a high power factor AC-AC converter for naval applications using Permanent Magnet Generator (PMG). The three-phase output voltages of the PMG vary from 260 Vrms (220 Hz) to 380 Vrms (360 Hz), depending on load conditions. The proposed converter consists of a Y-/ΔY power transformer, which provides electrical isolation between the PMG and remaining stages, and a twelve-pulse uncontrolled rectifier stage directly connected to a single-phase inverter stage, without the use of an intermediary DC-DC topology. This proposal results in more simplicity for the overall circuitry, assuring robustness, reliability and reduced costs. Furthermore, the multipulse rectifier stage is capable to provide high power factor and low total harmonic distortion for the input currents of the converter. The single-phase inverter stage was designed to operate with wide range of DC bus voltage, maintaining 120 Vrms, 60 Hz output. The control philosophy, implemented in a digital signal processor (DSP) which also contains protection routines, alows series connections between two identical converters, achieving 240 Vrms, 60 Hz total output voltage. Measured total harmonic distortion for the AC output voltage is lower than 2% and the input power factor is 0.93 at 3.6kW nominal load. © 2010 IEEE.

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.

Conversor multinível NPC de cinco níveis como ondulador de tensão ligado à rede

O crescimento da utilização de accionamentos electromecânicos de velocidade variável entre outros dispositivos que necessitam de tensões elevadas, na ordem dos kV e com elevados níveis de qualidade, despertou o interesse pelos conversores multinível. Este tipo de conversor consegue alcançar elevadas tensões de funcionamento e simultaneamente melhorar a qualidade das formas de onda de tensão e corrente nas respectivas fases. Esta dissertação de mestrado tem por objectivo apresentar um estudo sobre o conversor multinível com díodos de ligação ao neutro (NPC – neutral point clamped), de cinco níveis utilizado como ondulador de tensão ligado à rede. O trabalho começa por desenvolver o modelo matemático do conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva interligação com a rede eléctrica. Com base no modelo do conversor são realizadas simulações numéricas desenvolvidas em Matlab-Simulink. Para controlo do trânsito de energia no conversor é utilizando controlo por modo de deslizamento aplicado às correntes nas fases. As simulações efectuadas são comparadas com resultados de simulação obtidos para um ondulador clássico de dois níveis. Resultados de simulação do conversor multinível são posteriormente comparados com resultados experimentais para diferentes valores de potências activa e reactiva. Foi desenvolvido um protótipo experimental de um conversor multinível com díodos de ligação ao neutro de cinco níveis e a respectiva electrónica associada para comando e disparo dos semicondutores de potência.

Projecto de um conversor redutor CC-CC comutado para SoC

A evolução da tecnologia CMOS tem possibilitado uma maior densidade de integração de circuitos tornando possível o aumento da complexidade dos sistemas. No entanto, a integração de circuitos de gestão de potência continua ainda em estudo devido à dificuldade de integrar todos os componentes. Esta solução apresenta elevadas vantagens, especialmente em aplicações electrónicas portáteis alimentadas a baterias, onde a autonomia é das principais características. No âmbito dos conversores redutores existem várias topologias de circuitos que são estudadas na área de integração. Na categoria dos conversores lineares utiliza-se o LDO (Low Dropout Regulator), apresentando no entanto baixa eficiência para relações de conversão elevadas. Os conversores comutados são elaborados através do recurso a circuitos de comutação abrupta, em que a eficiência deste tipo de conversores não depende do rácio de transformação entre a tensão de entrada e a de saída. A diminuição física dos processos CMOS tem como consequência a redução da tensão máxima que os transístores suportam, impondo o estudo de soluções tolerantes a “altatensão”, com o intuito de manter compatibilidade com tensões superiores que existam na placa onde o circuito é incluído. Os sistemas de gestão de energia são os primeiros a acompanhar esta evolução, tendo de estar aptos a fornecer a tensão que os restantes circuitos requerem. Neste trabalho é abordada uma metodologia de projecto para conversores redutores CCCC comutados em tecnologia CMOS, tendo-se maximizado a frequência com vista à integração dos componentes de filtragem em circuito integrado. A metodologia incide sobre a optimização das perdas totais inerentes à comutação e condução, dos transístores de potência e respectivos circuitos auxiliares. É apresentada uma nova metodologia para o desenvolvimento de conversores tolerantes a “alta-tensão”.