Mestrado em Engenharia Elétrica

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Aplicação de módulos semicondutores híbridos em acionamentos elétricos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-02-26) Pongelupe, Fábio de Almeida; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino; Fernando Lessa Tofoli; Tomás Perpetuo Corrêa
Módulos semicondutores híbridos consistem em soluções que reúnem interruptores de silício e de algum material de larga banda proibida (do inglês, wide band gap (WBG)), proporcionando a obtenção de soluções de melhor custo benefício. Estes módulos apresentam-se como uma alternativa de aumento de eficiência em relação às tecnologias de silício, porém com custo total agregado inferior aos módulos puros de WBG. Por se tratar de uma tecnologia recente, o desenvolvimento de módulos híbridos compostos por Si-IGBT e SiC-MOSFET ou GaN-HEMT ainda é restrito a laboratórios de pesquisa, os quais têm feito progresso acerca dos principais desafios para viabilização da tecnologia. Entre os temas de pesquisa, é possível destacar a dificuldade em construir modelos comportamentais para ambientes de simulação de eletrônica de potência. Diante disso, este trabalho propõe uma estratégia para modelar a conexão paralela de interruptores e diodos que, por meio de tabelas look-up extraídas de folhas de dados, permite um acoplamento entre os domínios elétrico e térmico dos componentes em questão. A partir desta modelagem, este trabalho propõe uma metodologia de seleção de interruptores para compor um par híbrido formado por um Si-IGBT e um SiC-MOSFET, os quais são utilizados para acionar um motor de indução de 440 V e 300 HP. Dentre as combinações analisadas, foram escolhidas duas soluções híbridas com potencial de redução de perdas, as quais são comparadas com as soluções puras de silício e SiC de mesma corrente disponíveis no mercado. As comparações são feitas a partir de um perfil de operação diário real para o acionamento elétrico de um exaustor. Os resultados demonstraram uma potencial redução de perdas energéticas diárias de 45% em relação aos módulos originais de silício, além de apresentar uma redução de área de chips SiC entre os demais módulos, indicando potenciais reduções de custo. Portanto, os pares híbridos selecionados foram avaliados como soluções de melhor relação custo-benefício considerando o perfil de operação da aplicação.
Optimum design of modular multilevel converters for variable-speed electrical drives
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021) Matias Júnior, Paulo Roberto; Cupertino, Allan Fagner; Pereira, Heverton Augusto; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; Allan Fagner Cupertino; Heverton Augusto Pereira
O conversor modular multinível (CMM) é uma topologia inerentemente tolerante a falhas e uma opção interessante para acionamentos elétricos de média tensão, especialmente quando cargas quadráticas são empregadas. Para selecionar a melhor tensão de bloqueio de IGBTs, este trabalho apresenta uma metodologia de projeto e comparação de CMMs considerando a redundância necessária para atingir o requisito de confiabilidade. São comparados projetos utilizando IGBTs comerciais com tensão de bloqueio na faixa de 1,7 a 6,5 kV. A seleção é baseada em métricas de complexidade, volume, área de silício e eficiência do conversor. O uso da metodologia é exemplificado por meio de um estudo de caso de um soprador industrial acionado por um motor de indução trifásico de 13,8 kV - 16 MW. Medições da velocidade de operação do acionamento e temperatura ambiente desse processo em uma indústria siderúrgica localizada no sudeste brasileiro são utilizadas na avaliação das perdas do conversor. Os resultados evidenciam que a classe de tensão ótima de IGBTs depende do tipo de redundância empregado. Além disso, apesar do aumento de complexidade e do número de componentes, os projetos baseados em IGBTs com menor tensão de bloqueio (1,7 e 3,3 kV) se mostram mais vantajosos devido a menores perdas, volume ocupado pelo conversor e área de silício.
Avaliação e implementação de um retificador trifásico de três níveis de baixo custo com controle digital por histerese
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-02-25) Ramos, Gabriel Vilkn; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; http://lattes.cnpq.br/7844638464222284; http://lattes.cnpq.br/1893099190537471; Marcelo Martins Stopa; Alex-Sander Amável Luiz; Allan Fagner Cupertino; Ademir Nied
Implementa-se neste trabalho um retificador ativo de três níveis de baixo custo com controle digital por histerese de corrente, voltado para aplicações industriais de alta potência. O retificador consiste em um arranjo em ponte com dois interruptores eletrônicos e quatro diodos de potência por fase. A estratégia de comutação proposta é baseada na implementação digital de um controlador de corrente por histerese, trabalhando com baixas taxas de amostragem. A frequência de amostragem reduzida limita intencionalmente a frequência de comutação do conversor e reduz o estresse sobre os semicondutores diminuindo os riscos de falhas do conversor, sem deterioração da qualidade das formas de onda de tensão e corrente. A técnica também possui menor propagação e espalhamento do espectro harmônico que a implementação analógica do controlador. O sistema de controle é concebido para limitar a ondulação de corrente, esforços e perdas nos interruptores. Resultados obtidos por meio de simulação e experimentação em laboratório referentes a um protótipo de baixa potência do conversor mostraram que a qualidade das formas de onda de tensão e corrente podem ser melhoradas a partir da escolha criteriosa da indutância de entrada e da taxa de amostragem do controlador por histerese.
Avaliação de buchas de transformadores utilizando métodos sem malha
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-01-25) Silva, Paulo Roberto Costa da; Coppoli, Eduardo Henrique da Rocha; http://lattes.cnpq.br/0672703814158202; Eduardo Henrique da Rocha Coppoli; Márcio Matias Afonso; Rafael Paulo Braga Poubel; Alfred Gimpel Moreira Pinto
A aplicação de Métodos sem Malha (meshless methods) é extremamente promissora no campo da engenharia. A utilização deste método numérico para estudo e análise da integridade de buchas isolantes de alta tensão permite obter resultados mais precisos das condições elétricas e físicas, auxiliando no desenvolvimento de projetos, bem como na avaliação operacional. Neste contexto, este trabalho visa apresentar uma modelagem numérica e computacional baseada no Método de Galerkin Sem Elementos (EFGM) aplicada ao cômputo de campos elétricos sobre a parte isolante das buchas de alta tensão e seu entorno. Esta classe de método tem como principal característica a não necessidade de uma malha de elementos, diferindo assim, do Método de Elementos Finitos tradicional, o que o permite facilmente trabalhar com geometrias variadas, possibilitando o deslocamento dos nós de avaliação para regiões de interesse. Este método é normalmente utilizado para solução de equações diferenciais parciais, tendo aplicações crescentes para cálculos de campos eletromagnéticos, e para o desenvolvimento de equipamentos elétricos. Neste trabalho foi utilizada uma bucha hipotética, com desenvolvimento computacional da sua geometria com inclusões de falhas para análise do comportamento do campo elétrico sobre a parte isolante da bucha de alta tensão, seguindo as especificações normalizadas e em suas condições operacionais críticas, a fim de obter informações quanto a integridade da referida bucha de alta tensão. O método (EFGM) apresenta boa convergência, e em diversos casos tendo melhores respostas que os métodos consolidados como o Método de Elementos Finitos (FEM).
Projeto de controle baseado em observador de distúrbio com uso de otimização evolutiva
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-01-27) Pereira, Denise Fonseca; Gonçalves, Eduardo Nunes; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; Eduardo Nunes Gonçalves; Samir Angelo Milani Martins; Eduardo Stockler Tognetti
O controle baseado no observador de distúrbio é uma ferramenta de controle aplicado em diversos setores industriais, com a finalidade de rejeitar distúrbios não medidos no processo. Desde sua concepção, diversas implementações têm se mostrado eficientes, tanto para sistemas representados no domínio do tempo quanto para sistemas representados no domínio da frequência. Este trabalho apresenta um estudo sobre esta técnica bem como sua aplicação. A aplicação do controle baseado no observador de distúrbio para sistemas de uma entrada e uma saída, de fase mínima e não mínima, consiste em uma técnica já bem consolidada. Já para os sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas com atraso existem dois desafios que devem ser analisados com atenção. O primeiro desafio é o cálculo da inversa do modelo nominal da planta. O segundo desafio é a síntese ideal do filtro do observador de distúrbios para se obter um compromisso entre a rejeição das perturbações e a atenuação dos ruídos de medição. A proposta aqui apresentada é uma estratégia que utiliza funções de transferências equivalentes para tratar do desafio do cálculo da inversa do modelo nominal da planta que é comparada com outras estratégias encontradas na literatura. A função de transferência equivalente aproxima a inversa de um modelo multivariável por uma matriz cujos elementos são o inverso de funções de transferência de primeira ordem mais atraso de tempo, que são mais simples de serem tratadas. Para tratar a síntese ideal do filtro do observador de distúrbios é proposta uma formulação baseada em um problema de otimização multiobjetivo. Por meio de um algoritmo de otimização evolutiva multiobjetivo, é possível obter um conjunto de soluções eficientes com diferentes compromissos entre os dois objetivos. Essa mesma formulação de síntese foi utilizada para o problema de sistema de uma entrada e uma saída no domínio da frequência e para tratar os sistemas multivariáveis no domínio do tempo. A técnica é aplicada inicialmente a um problema de fase mínima representado no domínio da frequência juntamente com a síntese do controlador PI. Posteriormente são tratados dois exemplos de sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas com atrasos de tempo representados no domínio da frequência. E, por fim, a técnica é utilizada em um sistema no domínio do tempo. Os resultados encontrados mostram que as estratégias propostas para síntese de controladores baseados em observadores de distúrbios são eficazes. No caso de sistemas multivariáveis no domínio da frequência, a proposta de uso da função de transferência equivalente, tanto para síntese como para implementação, se mostrou eficiente apresentando melhores resultados que outras técnicas existentes na literatura.
Análise do tempo morto em acionamentos com terminais centrais abertos
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2021-01-14) Ribeiro, Brunno Monteiro Guimarães; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; http://lattes.cnpq.br/7844638464222284; http://lattes.cnpq.br/1893099190537471; Marcelo Martins Stopa; Alex-Sander Amável Luiz; Heverton Augusto Pereira; Clodualdo Venicio de Sousa
Máquinas elétricas com terminais centrais abertos (OEW – do inglês Open-end Windings) e alimentadas por dois conversores distintos, conectados em cada uma das suas extremidades, estão sendo considerados por pesquisadores para diversas aplicações, incluindo em acionamentos elétricos de grande porte em corrente alternada. Devido à ausência de neutro na carga trifásica, esta topologia permite que haja a circulação de correntes de sequência zero, que podem afetar negativamente a operação da máquina. Apesar de diversas estratégias de modulação terem sido propostas para evitar comutações que geram tensões de modo comum nos enrolamentos, as mesmas são também causadas por não-idealidades, como o tempo morto, utilizado para evitar a ocorrência de curtos-circuitos no barramento. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma modelagem baseada na dupla integral de fourier para extrair analiticamente os coeficientes dos espectros harmônicos de tensão em cargas OEW alimentadas por dois conversores com efeito de tempo morto. Essa abordagem é utilizada para avaliar a qualidade das tensões sintetizadas por diferentes técnicas de modulação em malha aberta e os impactos na operação de motores de indução de alta potência.
Análise de elevação de potencial resultante em parques eólicos devido à incidência direta de descargas atmosféricas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-12) Passos, Lucas Silva; Alípio, Rafael Silva; http://lattes.cnpq.br/6715701375569983; Rafael Silva Alípio
Esta dissertação é dedicada ao estudo da elevação de potencial resultante em parques eólicos decorrente da incidência direta de descargas atmosféricas. O estudo é realizado por meio de simulações computacionais empregando-se uma abordagem híbrida com a representação dos elementos aéreos utilizando a teoria de linhas de transmissão a parâmetros distribuídos e do sistema de aterramento do parque empregando um método baseado diretamente na teoria de campo. Consideram-se condições típicas do Brasil em termos de valores de resistividade elétrica e ondas de corrente de descargas atmosféricas. De acordo com os resultados, para correntes representativas de descargas subsequentes descendentes negativas e de descargas ascendentes negativas, os sistemas de aterramento das turbinas adjacentes à atingida pela descarga atmosféricas não contribuem para redução do valor do pico do GPR desenvolvido, considerando distâncias práticas entre turbinas em um parque eólico. Nesse caso, apenas os eletrodos de interligação, além do aterramento da própria turbina atingida, contribuem para redução do GPR, sendo que a parcela desse eletrodo que efetivamente contribui para redução aumenta com o crescimento da resistividade. No caso de primeiras descargas de retorno descendentes negativas, que são ondas mais lentas, os aterramentos das turbinas adjacentes podem contribuir para redução do pico do GPR, dependendo do valor da resistividade do solo e da distância entre as turbinas: quanto maior a resistividade e menor a distância, mais provável que os aterramentos adjacentes contribuírem para redução do GPR. De modo geral, a interligação entre os diversos aterramentos do parque eólico leva a uma redução significativa da resistência de aterramento de baixa frequência vista por cada turbina individualmente, mas não da impedância impulsiva. Ainda, mostra-se que a representação dos elementos aéreos leva a um aumento do valor de pico do GPR, especialmente para ondas de corrente com frente mais rápida, sendo observados aumentos de até 30%.
Proteção diferencial de transformadores de potência a partir de redes neurais artificiais
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-12) Silva, Aline Fraga; Alípio, Rafael Silva; Silveira, Eduardo Gonzaga da; http://lattes.cnpq.br/2888501805559990; http://lattes.cnpq.br/6715701375569983; Rafael Silva Alípio; Eduardo Gonzaga da Silveira; Luís Henrique Lopes Lima; Úrsula do Carmo Resende
A proteção diferencial é a filosofia de proteção mais utilizada em transformadores de potência. No entanto, os algoritmos convencionais apresentam ineficiências operacionais, podendo provocar a atuação indevida dos relés em situações não faltosas. Nesse contexto, com o objetivo de aprimorar a técnica tradicional, este trabalho apresenta um algoritmo de proteção diferencial para transformadores de potência baseado em Rede Neural Artificial. O sistema elétrico estudado é modelado e simulado no software Alternative Transients Program. O esquema de proteção proposto é para um transformador de 100 MVA. Os fenômenos eletromagnéticos simulados são: energização, energização solidária, sobreexcitação, saturação de transformadores de corrente e faltas externas e internas à zona de proteção. O banco de dados gerado contém 1210 arquivos, sendo 80% para treinamento e 20% para testes da rede neural. O algoritmo desenvolvido possui um módulo específico para identificação e detecção de cada evento simulado. Esta ferramenta de inteligência computacional é implementada no software MATLAB® . O algoritmo proposto também é testado com um sistema elétrico com transformador de 18 MVA. Os resultados obtidos mostram que a metodologia desenvolvida apresenta desempenho superior quando comparada à proteção convencional com restrição harmônica, mostrando-se como uma solução promissora neste tipo de aplicação.
Command governor supervisor scheme based on region of attraction
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-12) Sousa, Álan Crístoffer e; Leite, Valter Júnior de Souza; Lucia, Walter; http://lattes.cnpq.br/6555805379309351; Valter Júnior de Souza Leite; Márcio Fantini Miranda
Os sistemas físicos estão sujeitos a restrições, como saturação de entrada ou limites físicos para os estados, que também aparecem em cada modo de sistema comutado. Uma maneira de lidar com eles é aplicar o esquema do Command Governor, que muda a referência do controlador para impor restrições. Quando o sistema é chaveado, surge o problema de estabilidade. Os sistemas chaveados são um tipo comum de sistema usado para descrever sistemas não lineares, dividindo-os em seções lineares ou diferentes modos de operação do mesmo sistema, como as diferentes fases pelas quais um avião passa durante a decolagem ou pouso. No entanto, alternar arbitrariamente os modos de um sistema chaveado pode causar instabilidade, exigindo um projeto de regra de comutação. A regra mais comumente usada é a alternância de tempo de permanência, na qual o sistema espera que um tempo de permanência decorra após as referências mudarem para os modos de alternância. Vendo a possibilidade de acelerar a convergência de tais sistemas, propomos uma nova regra baseada na Região de Atração do controlador, que exige que o estado do sistema esteja dentro da Região de Atração do controlador de modo para alternar, garantindo estabilidade após uma alternância de modo. Com esta técnica, também propomos uma técnica de troca híbrida, que pode acelerar ainda mais a convergência e gerar menor esforço do atuador em alguns casos. Apresentamos algumas simulações para ilustrar o potencial da proposta e compará-la com um esquema que explora uma abordagem de tempo de permanência. Os resultados sugerem que nossa abordagem adiciona novas possibilidades de projeto de CG e supervisor, reduzindo o tempo de transição entre os modos do sistema e melhorando os índices de desempenho de malha fechada.
Acoplamento circuito-campo em sistemas elétricos utilizando o método de Galerkin sem elementos – EFGM
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-11-30) Monteiro, Gleyde Simone de Caires; Coppoli, Eduardo Henrique da Rocha; http://lattes.cnpq.br/0672703814158202; Eduardo Henrique da Rocha Coppoli; Úrsula do Carmo Resende; Alfred Gimpel Moreira Pinto; Raphael Paulo Braga Poubel
A utilização de métodos numéricos para estudo e análise de sistemas de transmissão de energia mais complexos, torna-se cada vez mais efetivo, obtendo-se resultados mais próximo às condições físicas reais, devido ao desenvolvimento tecnológico. Neste contexto, este trabalho visa apresentar uma modelagem numérica e computacional baseada no Método de Galerkin Sem Elementos (EFGM) aplicada ao cômputo de campos magnéticos, bem como das tensões e correntes induzidas nas proximidades de circuitos elétricos e de Linhas de Transmissão de alta tensão (LTs). A principal característica deste método, como bem diz seu nome, é a não necessidade de uma malha de elementos, como acontece no Método de Elementos Finitos, o que o permite trabalhar com geometrias variadas com certa facilidade, uma vez que o deslocamento dos nós do método para regiões de interesse é realizado com grande facilidade. No EFGM há apenas uma distribuição de nós dentro da região do domínio do problema. Este método é normalmente utilizado para solução de equações diferenciais parciais, sendo que seu uso está crescendo acentuadamente para cálculos de campos eletromagnéticos e para o desenvolvimento de equipamentos elétricos. No trabalho atual foi utilizado o domínio do tempo (TD) que permite alguns benefícios para problemas eletromagnéticos, como por exemplo analisar o efeito sobre o campo devido a uma excitação arbitrária. O método (EFGM) tem apresentado boa convergência, e em alguns casos melhor que métodos consolidados como o Método de Elementos Finitos (FEM).
Design for reliability of multifunctional PV inverters used in industrial power factor regulation
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-11-05) Gusman, Lucas Soares; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino; Wesley Peres; Hélio Marcos André Antunes
Consumidores industriais são conhecidos por sua alta demanda de potência ativa e reativa. Assim, tais consumidores possuem grande interesse na geração local por meio de usinas fotovoltaicas (FV) para redução das contas de energia. No entanto, os sistemas FV tradicionais reduzem a potência ativa absorvida da rede e, consequentemente, o fator de potência da instalação. Sob tais condições, multas são cobradas por baixo fator de potência na instalação. Este trabalho realiza um estudo dos efeitos da instalação de uma planta FV no fator de potência industrial. Além disso, soluções baseadas na correção usando bancos de capacitores tradicionais e em inversores FV multifuncionais são implementadas. O estudo de caso de uma planta industrial localizada no Brasil é discutido. Os resultados indicam que o banco de capacitores tradicional é incapaz de corrigir o fator de potência precisamente pelo seu número limitado de taps. De fato, os inversores FV multifuncionais podem prover compensação de potência reativa precisa, o que melhora o fator de potência e elimina multas adicionais. No entanto, uma redução de 24,1 % na vida útil do inversor fotovoltaico é observada em comparação à operação tradicional. Desta forma, uma proposta de dimensionamento do inversor é apresentada com a finalidade de preservar a confiabilidade do sistema considerando a funcionalidade extra do inversor FV (correção de fator de potência).
Cálculo de sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas em linhas de transmissão de SIL elevado
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-07) Pechir, Daniel Guedes; Alípio, Rafael Silva; Guimarães Neto, Miguel de Brito; http://lattes.cnpq.br/4733912088994272; http://lattes.cnpq.br/6715701375569983; Rafael Silva Alípio; Miguel de Brito Guimarães Neto
O projeto de torres de Linhas de Transmissão (LTs) de Potência Natural Elevada (LPNE ou HSIL, do inglês High Surge Impedance Loading) possui relevância no contexto atual dos Sistemas Elétricos de Potência, tendo em vista a capacidade desse tipo de linha de transportar grandes blocos de potência. O cálculo do desempenho esperado de tais LTs frente à incidência de descargas atmosféricas compreende um importante estágio da fase de projeto. Os softwares utilizados para a realização desse cálculo fazem uso de abordagens muito simplificadas, que podem resultar em estimativas de desligamentos por 100 km por ano não realísticas. Nesse contexto, esta dissertação de mestrado apresenta uma metodologia presumidamente mais apurada para a realização do cálculo de desempenho de uma LPNE de 500 kV que vem sendo bastante utilizada nas linhas de transmissão brasileiras, cujas torres são do tipo estaiada Cross-Rope. A metodologia proposta, até então inédita na literatura, compreende a modelagem da estrutura da torre estaiada, considerando adequadamente as impedâncias de surto associadas aos mastros, estais e cabos de sustentação. Ademais, o aterramento também é modelado de maneira rigorosa, a partir da aplicação do já consolidado modelo multiportas de banda larga. As simulações dos transitórios eletromagnéticos envolvidos na incidência de descargas na linha foram realizadas diretamente em plataformas do tipo ATP/EMTP, considerando, inclusive, a tensão de operação em 60 Hz. Os resultados encontrados demonstraram que a LT considerada apresenta desempenho frente a descargas atmosféricas satisfatório, dentro das restrições impostas pelo ONS – Operador Nacional do Sistema, desde que o sistema de aterramento seja adequadamente modelado. A perspectiva de aplicação prática mais imediata dos resultados encontrados está na definição mais adequada, do ponto de vista de engenharia, da fase do aterramento a ser utilizada, sem envolver super dimensionamento dos cabos contrapesos a serem utilizados.
Formulação multiobjetivo para síntese de observador proporcional integral
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020-07-07) Martins, Flávia Cordeiro; Gonçalves, Eduardo Nunes; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; Eduardo Nunes Gonçalves; Márcio Júnior Lacerda; Cristiano Marcos Agulhari
Este trabalho apresenta uma formulação de síntese de projeto de observadores de estados Proporcional-Integral (PI) para sistemas multivariáveis lineares invariantes no tempo (LIT). Em uma formulação bi-objetivo, as finalidades do projeto são minimizar o erro de estimação dos estados observados, quando o sistema está submetido a distúrbios não mensuráveis e à atenuação do efeito de ruídos de medição. As especificações de desempenho de projeto são quantificadas em termos das normas H2 e H∞ das matrizes do sistema em malha fechada. A principal contribuição deste trabalho é caracterizada pela formulação do problema de síntese de observadores PI como um problema de otimização multiobjetivo que possibilite, por meio de algoritmos apropriados, a geração de um conjunto de soluções eficientes com diferentes compromissos entre a minimização do erro de estimação na presença de distúrbios e a minimização do efeito de ruídos de medição. Esta técnica visa garantir o erro de estimação nulo em regime permanente para sistemas LIT em tempo contínuo. Uma segunda contribuição desse trabalho é comparar o observador PI com o observador clássico de Luenberger para verificar se apesar da complexidade de projeto e implementação do observador PI, os benefícios justificam o seu uso. Na resolução do problema, foi utilizado um algoritmo Evolução Diferencial Multiobjetivo. O conjunto de soluções encontradas no problema de otimização multiobjetivo formam a fronteira aproximada Pareto, sendo as variáveis otimizadas os elementos que integram a matriz de ganhos do observador. Um método de tomada de decisões multicritério baseado em uma abordagem fuzzy foi aplicado, fornecendo três soluções eficientes ao tomador de decisões. A eficiência da formulação de projeto proposta é verificada em exemplos ilustrativos de sistemas de ordens diferentes. Os resultados obtidos indicam a eficiência da formulação desenvolvida, tendo em vista que através do observador PI é possível obter menores erros de estimação com menores ganhos que o observador clássico, e ainda minimizar o efeito da perturbação e dos ruídos de medição.
Estudo, modelagem e controle de um conversor modular multinível em dupla estrela com células meia ponte sob ação de faltas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020) Silva, Vinícius Marinho; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; http://lattes.cnpq.br/7844638464222284; http://lattes.cnpq.br/1893099190537471; Marcelo Martins Stopa; Alex-Sander Amável Luiz; Allan Fagner Cupertino; Heverton Augusto Pereira; Marcos Antônio Severo Mendes
Os conversores modulares multiníveis se popularizaram na indústria em diversas aplicações como sistemas de transmissão CA flexíveis, compensadores síncronos estáticos, controle de motores, dentre outros. Apesar de possuírem as vantagens de uma constituição modular e escalável, esta classe de conversores são vulneráveis à faltas em seus submódulos, o que pode acarretar prejuízos de maquinário e desempenho. Por conta disso, o presente trabalho tem como propósito abordar a modelagem e controle de um conversor modular multinível em dupla estrela utilizando células meia ponte em condições plenas e sob faltas em 25%, 50% e 75% dos submódulos de cada fase. Visa-se, mediante estas condições, obter a máxima transferência de energia nos terminais de saída com o mínimo conteúdo harmônico nas formas de onda da corrente e tensão de linha ao se utilizar uma técnica de controle interno PI (Proporcional Integral) e o método de modulação SPWM (do inglês, Sinusoidal Pulse Width Modulation) com múltiplas portadoras, projetando-se assim um sistema standalone para média tensão. Também é elaborado nesta dissertação o dimensionamento deste conversor modular multinível baseando-se na capacidade de armazenamento de energia dos capacitores dos submódulos. São abordados dois métodos para a compensação de faltas nos submódulos do conversor modular multinível proposto. Um dos métodos de compensação se baseia na redistribuição de energia dos submódulos resilientes e o outro numa adaptação da técnica de deslocamento de neutro. O método para compensação de faltas baseado na redistribuição de energia dos submódulos resilientes restitui em 100% os efeitos das faltas no conversor em todas as condições propostas, tanto para as correntes quanto tensões de saída. O método para a compensação de faltas mediante deslocamento de neutro não surte efeito na compensação das faltas nas correntes e tensões de fase da carga, mas compensa em 100% os efeitos das faltas sob a tensão de linha quando estas ocorrem em até 50% do total de submódulos e restitui em 90% os efeitos da falta na tensão de linha quando estas ocorrem em 75% do total de submódulos. Simulações computacionais com especificações obtidas matematicamente foram realizadas na plataforma Matlab/Simulink para validação dos resultados.
Transmissão de energia sem fio e colheita de energia eletromagnética: modelagem e construção de rectennas e conversores DC-DC autoalimentados
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020) Mendes, Rakelane Aparecida; Gonçalves, Sandro Trindade Mordente; http://lattes.cnpq.br/9879076086228404; Sandro Trindade Mordente Gonçalves
Este trabalho apresenta um sistema de reaproveitamento de energia sem fio, chamado Rectenna que é a junção de um circuito retificador e uma antena. Também é apresentado a caracterização do conector SMA 3011, o qual é utilizado nos protótipos desenvolvidos. Os protótipos foram confeccionados no substrato FR4, também é apresentado um método para determinar a tangente de perdas e a permissividade elétrica deste substrato. Escolheu-se um circuito retificador de topologia de série, pois este apresenta melhor desempenho quando a potência de entrada é ultrabaixa. A antena escolhida é ressonante nas bandas de frequência Instrumentation, Scientific and Medical (ISM), Global System for Mobile Communication (GSM), Long Term Evolution (LTE). São apresentadas três diferentes configurações de rectennas: a primeira rectenna é ressonante nas frequências de 2,45 GHz e 1,8 GHz e a tensão fornecida a carga é igual a 240 mV, quando a potência de entrada é igual a -15 dBm; a segunda rectenna é ressonante na frequência de 2,45 GHz, esta não utiliza conectores SMA e a tensão fornecida a carga é igual a 340 mV, quando a potência de entrada é igual a -15 dBm; a terceira rectenna é idêntica a segunda rectenna, porém, utiliza conectores SMA. Levando em consideração que muitos dispositivos necessitam de uma tensão de alimentação maior que a tensão fornecida pela rectenna, esta foi acoplada a um conversor DC-DC comercial. Para automatizar o sistema de reaproveitamento de energia, foi projetado um circuito chamado Under Voltage Lock-out (UVLO).
Controle de sistemas LPV discretos no tempo sujeitos a atuadores saturantes
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020) Figueiredo, Larissa Soares; Leite, Valter Júnior de Souza; Lacerda, Márcio Júnior; http://lattes.cnpq.br/8141016674909848; http://lattes.cnpq.br/6555805379309351; Valter Júnior de Souza Leite; Márcio Júnior Lacerda; Cristiano Marcos Agulhari; Eduardo Nunes Gonçalves
Este trabalho investiga o problema da estabilização local para sistemas discretos no tempo com parâmetros variantes no tempo, LPV (do inglês, Linear Parameter Varying), e sujeitos a atuadores saturantes. A função saturação é representada como uma não-linearidade do tipo zona-morta, possibilitando a aplicação da condição generalizada de setor. Devido à limitação no sinal de controle é necessário caracterizar uma região, na qual qualquer trajetória dos estados iniciadas dentro desta região convirjam para a origem. Dessa forma, são propostas condições convexas para projetar controladores por realimentação de estados que estabilizam localmente o sistema em malha fechada para um conjunto de condições iniciais admissíveis. As primeiras condições apresentadas baseiam-se em funções de Lyapunov dependentes de parâmetros polinomiais homogêneas, HPPD (do inglês, Homogeneous Polynomially Parameter-Dependent). Graças a um conjunto de níveis definido a partir de uma função Lyapunov, obtém-se estimativas menos conservadoras da região de atração. Os ganhos do controlador podem assumir estruturas racionais nos parâmetros variantes no tempo, produzindo melhores estimativas da região de atração, bem como um amplo conjunto de sistemas estabilizáveis. As demais condições apresentadas neste trabalho são baseadas em funções poliquadráticas, que é um caso particular das funções polinomiais homogêneas. São apresentados exemplos numéricos para demonstrar a eficácia dos métodos propostos. A primeira condição baseada em funções poliquadráticas permite considerar a dependência paramétrica na matriz de entrada do modelo do sistema. A segunda condição garante uma taxa mínima de contratividade da função de Lyapunov por meio do índice de desempenho adotado que é o λ-contratividade. Uma estrutura integral proporcional é empregada para garantir erro de rastreamento nulo para sinais de referência constantes por partes. Portanto, esta proposta se encaixa nos requisitos de projeto dos sistemas reais LPV e quasi-LPV. Ensaios experimentais conduzidos em um controle de nível não-linear de segunda ordem ilustram o potencial da abordagem proposta. Além disso, os testes indicam como a taxa de contratividade afeta o tamanho da estimativa região de atração.
Redução do custo computacional na síntese de controladores PI multivariáveis utilizando algoritmo evolutivo combinado com redes neurais
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2020) Negreiro, Vitor Vidal de; Gonçalves, Eduardo Nunes; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; Eduardo Nunes Gonçalves
A síntese de controladores PI multivariáveis por meio de otimização é uma estratégia efetiva e que tem sido amplamente testada graças à grande variedade de algoritmos disponíveis. Esse processo tem como etapas fundamentais a modelagem do problema a ser otimizado e a escolha do método de otimização aplicado. A escolha da função objetivo tem reflexos no custo computacional e nas características do sistema em malha fechada obtido. O método de otimização, por sua vez, impacta na capacidade de se encontrar ou não uma solução satisfatória em tempo computacional aceitável. Este trabalho apresenta uma variante do método Evolução Diferencial que lança mão de redes neurais artificiais para reduzir o custo computacional do processo de síntese de controladores PI multivariáveis. O algoritmo é testado com funções de benchmark clássicas da área de otimização para sua validação e estudo. Dois sistemas típicos da área de controle, ambos com múltiplas entradas e saídas e atrasos de transporte são usados como exemplos para sintonia de controladores pelo método Evolução Diferencial clássico e pela nova versão. Os resultados mostram os benefícios e pontos de atenção em relação ao método proposto, além de comparar, como objetivo secundário, o impacto da utilização de funções objetivo baseadas em normas de sistemas e de sinais no procedimento de síntese. O método proposto diminui o número total de cálculos da função objetivo, reduzindo o custo computacional do processo de otimização. Em contrapartida, observou-se uma maior variância e menor taxa de convergência do algoritmo modificado. As funções objetivo baseadas em normas de sinais apresentam o melhor desempenho de controle, enquanto funções objetivo baseadas em normas de sistemas apresentam menor custo computacional.
Impacto da representação do efeito do solo no estudo transitórios em linhas de transmissão aéreas
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2019-12) Diniz, Fernando Almeida; Alípio, Rafael Silva; Moura, Rodolfo Antônio Ribeiro de; http://lattes.cnpq.br/0994273000437507; http://lattes.cnpq.br/6715701375569983; Rafael Silva Alípio; Rodolfo Antônio Ribeiro de Moura
As linhas de transmissão constituem um elo fundamental em sistemas de potência, sendo, portanto, essencial a continuidade de sua operação mesmo diante de sobretensões. Os modelos de linhas de transmissão, usualmente disponíveis em plataformas computacionais de simulação de transitórios eletromagnéticos, não consideram os efeitos associados à corrente de deslocamento no solo (hipótese válida apenas para baixas frequências), a dependência existente dos parâmetros elétricos do solo com a frequência e os efeitos associados à propagação do campo elétrico no solo para o cálculo da admitância transversal. Essas suposições podem levar a modelos que não representam de forma adequada a resposta transitória, principalmente, nos casos que envolvam surtos atmosféricos e solos de alta resistividade elétrica. O presente trabalho de dissertação pretende gerar uma contribuição na representação do efeito do solo em modelos de linhas de transmissão aéreas. Para isso, são comparados resultados de simulações computacionais de transitórios eletromagnéticos em linhas aéreas, considerando diferentes formulações para cálculo de seus parâmetros por unidade de comprimento. As análises são divididas em três partes. Primeiramente, avalia-se a influência da representação do efeito do solo nos parâmetros de linha no domínio modal e da frequência. Em seguida, no domínio das fases e utilizando a transformada numérica de Laplace, avalia-se como a representação do solo influencia as tensões transitórias resultantes da energização de linhas de transmissão de diferentes configurações. Finalmente, são conduzidas simulações no software ATP para determinar o impacto do efeito do solo nas sobretensões de origem atmosféricas, sendo que os modelos não disponíveis no ATP são incluídos na plataforma utilizando a técnica de ajuste vetorial (Vector Fitting), modificada pelo uso da Transformação de Modo Revelador (ModeRevealing Transformation - MRT). De acordo com os resultados, as correntes de deslocamento, a admitância do solo e a dependência da frequência dos parâmetros elétricos do solo podem ser importantes na análise de transitórios eletromagnéticos em linhas aéreas localizadas em regiões de solo de alta resistividade.
Reliability-oriented redundancy design for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMS
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2019) Farias, João Victor Matos; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira; Allan Fagner Cupertino
Os sistemas de distribuição e transmissão de média/alta tensão possuem uma enorme variedade de cargas não lineares. Além disso, a grande penetração de fontes de energia renováveis no sistema elétrico tem motivado estudos relacionados ao compensador síncrono estático (STATCOM, do inglês static synchronous compensator). Nesse contexto, o conversor multinível é uma tecnologia interessante para esta aplicação. Uma atenção especial é dada aos conversores modulares multiníveis em cascata (MMCCs, do inglês modular multilevel cascaded converters) devido à alta escalabilidade, modularidade, redundância e eficiência, que são características inerentes à topologia. Para ser capaz de atuar em altos níveis de tensão, é necessário associar um grande número de células/dispositivos semicondutores, que pode afetar a confiabilidade do conversor. Células redundantes podem ser empregadas para atender aos requisitos de confiabilidade do conversor. No entanto, o projeto do fator de redundância ainda é um campo a ser explorado. Este trabalho propõe um modelo de confiabilidade para a seleção correta do número de células redundantes, visando atingir uma meta de vida útil determinada. Este modelo combina as análises de falhas aleatórias e falhas por desgaste. O fator de redundância é calculado para determinados requisitos de confiabilidade, ou seja, este trabalho propõe um projeto de redundância orientada a confiabilidade. O estudo de caso é baseado em um MMCC STATCOM de 13,8 kV/17 MVA. A implementação do conversor é baseada em quatro tensões de bloqueio comerciais de dispositivos semicondutores (1,7, 3,3, 4,5 e 6,5 kV). Os custos de capital (CAPEX, do inglês capital expenditure) e os custos operacionais (OPEX. do inglês operational expenditure) são estimados considerando o fator de redundância necessário. Considerando como objetivo 20 anos de operação para o conversor e níveis de confiabilidade maiores que 90%, o projeto baseado em dispositivos de 1,7 kV apresenta o menor custo para a realização do MMCC STATCOM.
Reduced-order simulation models for ES-STATCOM based on modular multilevel converters
(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2019) Amorim, William Caires Silva; Pereira, Heverton Augusto; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; Heverton Augusto Pereira
Devido à crescente integração de energias renováveis, os sistemas elétricos de potência podem tornar-se mais suscetíveis a desequilíbrios de tensão da rede, distúrbios de frequência, ressonâncias harmônicas, entre outros. Desta forma, diversos trabalhos apontam que os serviços auxiliares fornecidos pelos sistemas de armazenamento de energia podem minimizar esses problemas. A combinação do armazenamento de energia por baterias eletroquímicas e de compensadores síncronos estáticos (STATCOMs, do inglês Static Synchronous Compensator) figura como uma das propostas para reduzir o custo destes sistemas. Os conversores modulares multiníveis são apresentados como uma boa solução para a realização de sistemas de armazenamento de energia e de STATCOM, devido à sua alta eficiência, modularidade, qualidade da tensão de saída, entre outros. No entanto, existe uma elevada complexidade no estudo da integração de sistemas de armazenamento de energia e de STATCOMs baseado em conversores modulares multiníveis, aplicados a um sistema elétrico de potência. Esta complexidade é devido à presença de conversores eletrônicos de potência, sistema de transmissão, fontes renováveis, transformadores, entre outros, que acarretam em um alto esforço computacional para simulação. Neste sentido, este trabalho apresenta o projeto detalhado de um conversor modular multinível e a implementação de três modelos computacionais de simulação de ordem reduzida. Os modelos computacionais representam conversores modulares multiníveis aplicados em sistemas de armazenamento de energia agregado a um STATCOM, denominado ES-STATCOM (do inglês Energy Storage System - Static Synchronous Compensator). O desempenho destes modelos é comparado em três estudos de casos: análise do processo de carga e descarga do sistema de armazenamento, estudo de suporte de frequência e, finalmente, de suporte de tensão, considerando um conversor modular multinível de 100 MVA conectado a uma rede elétrica de 33 kV. Os resultados revelaram uma alta similaridade do comportamento dinâmico de variáveis como potência ativa, potência reativa, corrente circulante e corrente da rede, entre os modelos de simulação de ordem reduzida. Além disso, os modelos foram comparados em termos da figura de mérito de erro absoluto integral normalizado e do tempo total de processamento, revelando um baixo erro entre os modelos de ordem reduzida, além de uma redução entre 50% a 70% do tempo de processamento total.

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