Mestrado em Engenharia Elétrica
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Item Magneto-inductive waves in metamaterial-based wireless power transfer systems(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2023-05-26) Freitas, Felipe Machado de; Gonçalves, Sandro Trindade Mordente; http://lattes.cnpq.br/9879076086228404; Gonçalves, Sandro Trindade Mordente; Vollaire, Christian; Afonso, Márcio MatiasThis work proposes a method of analysis of printed Magnetic Coupled Wireless Power Transfer (MCWPT) systems operating in a few MHz based on Circuit Model (CM). Initially, the effect of resonant surfaces on wireless energy transmission and the advantages of their use are discussed. Therefore, the resulting increase in efficiency is discussed based on the Magneto-Inductive Waves (MIW) theory. Furthermore, the feasibility of using metasurfaces in Wireless Power Transfer (WPT) systems where the transmitter and receiver are misaligned or are coplanar is analyzed. Finally, possibilities for optimizing the impedance of WPT systems to increase transmission efficiency are also presented. An analytical model is proposed to calculate the self-inductance of printed inductors, their characteristic resistance, and the mutual inductance between coils. The presented formulation for calculating the mutual inductance between inductors is based on Neumann’s formula. Due to the generality of this approach, it can also be applied to more complex structures, such as metasurfaces. In the analysis of the MCWPT CM, it is considered that the unknown current along the microstrip is considered as a single value distributed in each modeled coil. First, computational aspects related to model implementation are discussed. Then, the calculated results are compared step by step with commercial software based on electromagnetic methods in the frequency domain. Then, the microstrip model is experimentally validated with measurements of transmission coefficients from an MCWPT printed in FR4, operating at 24𝑀𝐻𝑧. A new design based on printed square coils is also proposed, but now with reduced size and working at 13.56 𝑀𝐻𝑧. A frequency domain analysis on how the frequency and receiver position on the metasurface affect efficiency is done. Then, the variation of the input impedance and the current distribution on the surface of the metamaterial are analyzed in relation to the variations in the position of the receiver and in the charge rate on the resonant surface. For this, the MIW theory is used in a specific application: Passive Position Tracking in Dynamic MCWPT Systems. Finally, it discusses the importance of knowing the current distribution and impedance optimization parameters for an MCWPT system. The results show that the proposed method is valid for modeling printed inductors. In addition, the model proved to be computationally more efficient for the analysis of large systems when compared to commercial full-wave simulation software, and the practical results point to conformity.Item Controle de frequência em redes de energia elétrica com alta penetração de fontes renováveis variáveis por meio de cortes de carga e geração e uso de baterias(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2023-07-12) Guerra, Raquel de Caux; Resende, Úrsula do Carmo; Poubel, Raphael Paulo Braga; http://lattes.cnpq.br/0269668020265123; http://lattes.cnpq.br/2792357895049279; Resende, Úrsula do Carmo; Poubel, Raphael Paulo Braga; Ledesma, Jorge Javier Gimenez; Peres, Wesley; Afonso, Márcio MatiasTradicionalmente, visando sobretudo o aproveitamento da economia de escala, no cenário mundial, os sistemas elétricos de potência (SEP) são marcados por geração centralizada, em que se verificam plantas de geração de elevadas capacidades, situadas longe dos centros de consumo. Contudo, em função de questões técnicas, ambientais, sociais e econômicas, nos últimos anos vem se observando mudanças de paradigma na arquitetura do setor elétrico caracterizada pela expansão do uso de fontes de energia eólica e fotovoltaica, consideradas fontes energéticas renováveis variáveis (FERV). A incorporação de FERV pode ocasionar muitos desafios técnicos, já que, devido à natureza flutuante dos recursos, o desbalanço entre geração e demanda se torna mais frequente e intenso, ensejando em problemas de estabilidade de frequência na rede de energia elétrica. Assim, tendo em vista a necessidade de operar um sistema elétrico de forma robusta e confiável e a crescente expansão de FERVs, este trabalho propõe uma metodologia para controle de frequência em sistemas elétricos com alta injeção de FERVs, utilizando-se de cortes ótimos de carga e geração e a integração de bateria na rede. Para tal, foi formulado um problema de otimização que contempla as particularidades dos geradores eólicos, as características de droop dos geradores despacháveis, bem como o acionamento de carregamento /descarregamento de uma bateria. Para a identificação ótima dos cortes optou-se por utilizar o algoritmo meta-heurístico Enxame de Partículas.Item Controle 𝓗∞ robusto discreto baseado em formulações lmi e otimização evolutiva(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2023-07-25) Oliveira, Pauliana Rufino de Almeida Lima; Gonçalves, Eduardo Nunes; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; Gonçalves, Eduardo Nunes; Lacerda, Márcio Júnior; Morais, Cecília de FreitasDesigualdades matriciais lineares (LMI) são uma poderosa ferramenta na área de análise e síntese de sistemas de controle robusto. Este trabalho apresenta novas formulações baseadas em desigualdades matriciais lineares para síntese de controle ℋ∞ robusto por realimentação de estados e por realimentação estática de saída para sistemas lineares invariantes no tempo discretos. O controle robusto por realimentação de estados geralmente é mais utilizado pelo fato do seu controlador ser mais eficiente que o controle por realimentação de saída, sendo mais fácil de obter formulações LMI para síntese. Porém, nem sempre é possível ter todas as variáveis de estados disponíveis para implementação dessa ação de controle. A síntese de controle robusto por realimentação estática ou dinâmica de saída é mais complicada de ser formulada como problemas de otimização convexos baseados em desigualdades matriciais lineares. Uma estratégia para obter formulações para síntese de controladores por realimentação estática de saída é transformar uma formulação de síntese de controle por realimentação de estados por meio de uma mudança de variáveis. Essa mudança de variáveis requer a escolha de uma matriz. A escolha desta matriz afeta o desempenho do controlador resultante ou até mesmo a existência de uma solução factível para o problema. Desse modo é importante ter um método para determinação dessa matriz que resulte no controlador com desempenho otimizado. As fomulações propostas para síntese de controle robusto por realimentação de estados incluem uma variável matricial adicional, que permite que a função de Lyapunov seja dependente de parâmetros, além de dois parâmetros escalares que devem ser escolhidos pelo projetista. É proposto neste trabalho aplicar otimização evolucionária para determinação dos valores otimizados destes dois parâmetros, no caso de realimentação de estados, e desses dois parâmetros mais a matriz adicional da mudança de variáveis, no caso de realimentação estática de saída, para obter o sistema de controle ℋ∞ robusto ótimo. As caracterizações propostas englobam formulações existentes na literatura para valores específicos dos dois parâmetros escalares. São apresentados estudos de caso para demonstrar a possibilidade de obter sistemas de controle com melhor desempenho utilizando as formulações propostas.Item Síntese conjunta do controlador e dos mecanismos de transmissão por evento em sistemas de controle via rede(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2023-12-01) Godinho, Marcelo Ferreira; Gonçalves, Eduardo Nunes; Batista, Ana Paula; http://lattes.cnpq.br/0129323556531304; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; Gonçalves, Eduardo Nunes; Batista, Ana Paula; Lacerda, Márcio Júnior; Santos, Luciano Antonio FrezzattoEste trabalho apresenta uma formulação multiobjetivo para a síntese conjunta do controlador e dos mecanismos de transmissão com acionamento por evento, com otimização do período de amostragem, para sistema de controle via rede com objetivo de obter diferentes compromissos entre o valor médio da integral do erro absoluto e o número médio de transmissões de dados. São considerados atrasos aleatórios de transmissão e perdas de pacotes para cada link de comunicação sensor/controlador e controlador/atuador. É aplicado uma versão do algoritmo de otimização evolução diferencial multiobjetivo para obter um conjunto de soluções eficientes que determinam simultaneamente os ganhos do controlador proporcional-integral multivariável, o período de amostragem e os limiares de disparo dos mecanismos de transmissão por evento descentralizados para cada conexão sensor/controlador e controlador/atuador. Considerando o aspecto estocástico dos atrasos e perdas de pacotes, as funções objetivo são calculadas com base na média da integral do erro absoluto e da média do número de transmissões, para diferentes simulações. A metodologia de síntese conjunta proposta é avaliada por meio de simulação computacional utilizando exemplos de sistemas de controle multivariável. Apesar do alto custo computacional requerido pelo método de síntese proposto, os resultados dos estudos de casos demonstram que é possível combinar um bom desempenho do sistema de controle com uma redução significativa do número de transmissões na rede mesmo na presença de atrasos variantes e perdas de pacote.Item Estratégias de balanceamento de estado de carga e saúde para sistemas de armazenamento baseados em baterias inteligentes(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2023-12-12) Oliveira, Jonathan Silva de; Cupertino, Allan Fagner; Brito, Erick Matheus da Silveira; http://lattes.cnpq.br/5649657715776454; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/9744075843316274; Cupertino, Allan Fagner; Brito, Erick Matheus da Silveira; Vicente, Eduardo Moreira; Corrêa, Tomás PerpétuoA busca por métodos mais eficientes de se armazenar energia elétrica é impulsionada pela alta demanda de veículos elétricos e de fontes de geração de energia elétrica não despacháveis, como solar fotovoltaica e eólica. Dentre as formas de se armazenar energia elétrica, o uso de baterias torna-se uma das melhores opções, devido à maior facilidade de projetar e aplicar esta tecnologia. O aumento da vida útil de uma bateria é um dos principais temas atuais, visto que em aplicações como veículos elétricos, a bateria corresponde a grande parte do investimento inicial e geralmente é substituída após perder cerca de 20% de sua capacidade nominal. Com o objetivo de utilizar as baterias de veículos elétricos por mais tempo surgem técnicas que consistem no conceito de baterias inteligentes. O termo bateria inteligente está atrelado a métodos distribuídos de se gerenciar baterias. Portanto, este trabalho tem como objetivo estudar técnicas inteligentes para estimar o estado de carga e estado de saúde das baterias inteligentes. Para alcançar este objetivo foram realizados estudos envolvendo estimativas do estado da bateria e a modelagem da degradação no software PLECS. Além disso, foi implementado um modelo de balanço de carga com conversor c.c./c.c. boost com o intuito de realizar o balanceamento do modelo e permitir simulações mais precisas. A técnica utilizada para balanceamento consiste em um programa computador fixo, encontrado na literatura, é implementada no esquema elétrico para equalizar as tensões das células da bateria. A técnica de balanceamento estuda o estado de carga e estado de saúde da bateria em tempo real e utiliza um método para equalizar as tensões das células da bateria. Uma técnica de balanceamento ativa foi escolhida, pois permite maior eficiência energética ao transferir energia entre as células da bateria sem dissipação em resistores ou outros dispositivos. O balanceamento estático é uma carga fixa que equaliza as tensões das células em tempos mais rápido, comumente utilizado quando a diferença entre as tensões é maior que 0,2%. Este trabalho apresenta uma dinâmica mais rica do que o balanceamento estático encontrado na literatura porque possibilita a extensão do número de ciclos das baterias e a postergação de uma eventual substituição por falha.Item Minimização do uso da rede de comunicação em controle via rede com transmissão por evento(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2022-02-14) Belo, Mateus Alves Ribeiro; Gonçalves, Eduardo Nunes; Batista, Ana Paula; http://lattes.cnpq.br/0129323556531304; http://lattes.cnpq.br/4167566933927576; http://lattes.cnpq.br/7346537578708659; Gonçalves, Eduardo Nunes; Batista, Ana Paula; Nepomuceno, Erivelton Geraldo; Silva Jr., João Manoel Gomes daO uso de redes de comunicação de dados, especialmente sem fio, é uma opção interessante para redução de custos de instalação e manutenção de sistemas de controle. Por outro lado, o uso de redes de comunicação introduz novos fatores a serem considerados no projeto do sistema de controle tais como atrasos aleatórios de transmissão de mensagens e perdas de pacotes. Esses problemas são acentuados com o maior uso da rede. Em sistemas de controle via rede, por meio de transmissão acionada por eventos, é possível reduzir o uso da rede, mantendo o desempenho do sistema de controle em níveis satisfatórios. Existem vários esquemas para transmissão acionada por eventos de acordo com a lei de disparo. A dificuldade de se aplicar transmissão acionada por eventos é a determinação dos ajustes ótimos da lei de acionamento que resultem em um bom compromisso entre o uso da rede e o desempenho do sistema de controle. No caso de transmissão por evento descentralizada, é necessário ajustar os parâmetros da lei de acionamento para cada link sensor/controlador e controlador/atuador. Neste trabalho, propomos um problema de otimização multi-objetivo para ajustar os mecanismos acionados por eventos. Ao resolver o problema proposto por meio da otimização evolutiva multi-objetivo, um conjunto de soluções eficientes é gerado com diferentes compromissos entre o desempenho do sistema de controle e o número de transmissões pela rede de comunicação. Para resolver o problema proposto, um aprimoramento em um algoritmo evolução diferencial multi-objetivo é realizado com um novo método de elitismo da Fronteira Pareto-ótimo. O método proposto é aplicado para ajustar os mecanismos acionados por eventos descentralizados para um controlador dado a priori, considerando atrasos aleatórios induzidos pela rede e perdas de pacotes. Três estudos de caso de sistemas de controle multivariáveis são apresentados, comparando o desempenho de oito diferentes esquemas acionados por eventos descentralizados, analisando a seleção do período de amostragem e demonstrando a eficácia do método de ajuste proposto.Item Estratégias de controle para redução de ondulação de tensão em inversores fotovoltaicos monofásicos de dois estágios(Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei, 2022-07-04) Silva, Gleison Viana; Cupertino, Allan Fagner; Pereira, Heverton Augusto; http://lattes.cnpq.br/4298795970350194; http://lattes.cnpq.br/3035620499629987; http://lattes.cnpq.br/0193113138592398; Cupertino, Allan Fagner; Pereira, Heverton Augusto; Brito, Erick Matheus da Silveira; Tofoli, Fernando Lessa; Xavier, Lucas SantanaInversores fotovoltaicos monofásicos têm sido amplamente empregados em sistemas fotovoltaicos com potência nominal inferior a 10 kW. Dentre as diversas topologias de inversores disponíveis, aquelas baseadas em topologias de duplo estágio de conversão são populares na indústria. É sabido que os inversores monofásicos apresentam uma ondulação de segundo harmônico na tensão de barramento c.c. devido ao fato de a potência instantânea não ser constante. Esta ondulação de tensão pode provocar variações na tensão terminal do arranjo fotovoltaico, reduzindo a eficiência do seguimento do ponto de potência máxima, mesmo em inversores com dois estágios de conversão (com conversor c.c./c.c.). Inicialmente, este trabalho investiga a partir de modelos analíticos a redução de eficiência causada pela ondulação de segundo harmônico. Estes modelos são validados a partir de simulações computacionais. É demonstrado que ondulações de tensão superiores a 10% pico a pico no capacitor de entrada do inversor podem levar a uma perda de eficiência no seguimento de potência máxima da ordem de 1%. Em seguida, este trabalho investiga duas técnicas de controle para redução da ondulação nos terminais do módulo fotovoltaico em inversores de duplo estágio de conversão sem a necessidade de medições adicionais. A primeira técnica é baseada em uma normalização em tempo real do sinal do conversor c.c./c.c. A segunda técnica é baseada na adição de um controlador ressonante de segundo harmônico. O estudo de caso baseia-se em um inversor fotovoltaico de 4.4 kVA/220 V com entrada para duas séries fotovoltaicas. Os resultados indicam que ambas as técnicas são capazes de realizar a atenuação da ondulação de tensão nos terminais do arranjo fotovoltaico, resultando em ganhos de eficiência da ordem de 0,74% para a estratégia ressonante e 0,95% para a estratégia de normalização proposta. Como vantagens, a estratégia de normalização apresenta uma maior simplicidade, visto que não requer a modificação da estrutura de controle do conversor c.c./c.c.Item 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; http://lattes.cnpq.br/6842423390403112; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; Tofoli, Fernando Lessa; Corrêa, Tomás PerpetuoMódulos 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/0423217579807016; Cupertino, Allan Fagner; Pereira, Heverton AugustoO 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/0300850996329039; Stopa, Marcelo Martins ; Luiz, Alex-Sander Amável ; Cupertino, Allan Fagner ; Nied, AdemirImplementa-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.Item 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; Coppoli, Eduardo Henrique da Rocha; Afonso, Márcio Matias; Poubel, Rafael Paulo Braga; Pinto, Alfred Gimpel MoreiraA 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).Item 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; http://lattes.cnpq.br/3277120529574231; Gonçalves, Eduardo Nunes; Martins, Samir Angelo Milani; Tognetti, Eduardo StocklerO 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/5359906678727790; Stopa, Marcelo Martins; Luiz, Alex-Sander Amável; Pereira, Heverton Augusto; Sousa, Clodualdo Venicio deMáquinas 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/5790941296873064; Alípio, Rafael SilvaEsta 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%.Item 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; http://lattes.cnpq.br/4865736903441417; Alípio, Rafael Silva; Silveira, Eduardo Gonzaga da; Lima, Luís Henrique Lopes; Resende, Úrsula do CarmoA 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/0846174549224433; Leite, Valter Júnior de Souza; Miranda, Márcio FantiniPhysical systems are subject to constraints, like input saturation or physical limits to the states, which also appears on each switched system mode. One way of dealing with them is to apply the Command Governor scheme, which changes the controller’s reference to enforce constraints. When the system is a switched one, the problem of stability arises. Switched systems are a common kind of system used to describe non-linear systems by dividing them into linear sections or different modes of operations of the same system, like the different phases an airplane goes through during take-off or landing. However, arbitrarily switching the modes of a switched system can cause instability, requiring a switching rule design. The most commonly used rule is the dwell-time switch, in which the system waits for a dwell-time to elapse after the references changes to switch modes. Seeing the possibility of speeding up such systems’ convergence, we propose a new rule based on the controller’s Region of Attraction, which requires the system’s state to be inside the mode’s controller’s Region of Attraction to switch, guaranteeing stability after a mode switch. With this technique, we also propose a hybrid switch technique, which can further speed up convergence and generate lower actuator effort in some cases. We present some simulations to illustrate the proposal’s potential and compare it with a scheme exploiting a dwell-time approach. The results suggest that our approach adds new CG and supervisor design possibilities, reducing the transition time between system modes and improving the closed-loop performance indexes.Item 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; http://lattes.cnpq.br/7084910175086017; Coppoli, Eduardo Henrique da Rocha; Resende, Úrsula do Carmo; Pinto, Alfred Gimpel Moreira; Poubel, Raphael Paulo BragaA 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).Item 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; http://lattes.cnpq.br/3352659977832162; Pereira, Heverton Augusto; Cupertino, Allan Fagner; Peres, Wesley; Antunes, Hélio Marcos AndréConsumidores 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).Item 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; http://lattes.cnpq.br/5756420496199694; Alípio, Rafael Silva; Guimarães Neto, Miguel de BritoO 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.Item 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; http://lattes.cnpq.br/7780988192285383; Gonçalves, Eduardo Nunes; Júnior Lacerda, Márcio; Agulhari, Cristiano MarcosEste 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.