Dissertações/Teses

2024
Dissertações
1
  • JOÃO VICTOR GUIMARÃES FRANÇA
  • ON CONTROL OF DELTA-CONNECTED CASCADED H-BRIDGE STATCOM

  • Orientador : ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ROBSON BAUWELZ GONZATTI
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • Data: 28/02/2024
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  • Devido às preocupações com a qualidade de energia e ao aumento de complexidade do sistema elétrico de potência, Compensadores Síncronos Estáticos (STATCOM) são amplamente utilizados em sistemas de potência para compensação de potência reativa e suporte de tensão. Para aplicações de média e alta tensão, o conversor multinível é a opção mais comum para sistemas STATCOM. Além disso, a topologia "Delta-connected Cascaded H-bridge" (Delta-CHB) é amplamente adotada para sistemas STATCOM multiníveis. Este trabalho investiga a estratégia de controle do Delta-CHB STATCOM, propondo uma modelagem das dinâmicas e provendo uma metodologia de ajuste dos diversos controladores presentes nesta topologia. O presente trabalho também explora a estratégia de normalização e seus efeitos na corrente circulante. Além disso, o estudo aborda a ondulação de segundo harmônico na tensão do capacitor do conversor, e descreve sua relação com a corrente circulante de terceiro harmônico inerente a operação do conversor. Essa relação é modelada, resultando em expressões matemáticas para a ondulação da tensão do capacitor e para a corrente circulante de terceiro harmônico inerente. As validações são realizadas por meio de simulações e experimentos em um protótipo com três submódulos por fase. O modelo apresentado do mecanismo de geração dos harmônicos exibe erros inferiores a 4.5% em comparação com os resultados de simulação. Por fim, a metodologia de ajuste de controle foi testada através de simulações em dois sistemas STATCOMs em diferentes níveis de potência, e em um protótipo experimental com três submódulos por fase.


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  • Due to concerns regarding power quality and the increasing electric power system complexity, Static Synchronous Compensators (STATCOMs) are widespread in power systems for reactive power compensation and voltage support. For medium- and high-voltage applications, the multilevel converter is the most common option for STATCOM systems. Additionally, the Delta-connected Cascaded H-bridge (Delta-CHB) is a widely adopted multilevel converter topology for STATCOM systems. This work delves into the Delta-CHB STATCOM control strategy, proposing dynamic modeling for this converter and providing a methodology for control tuning for the several controllers present in this topology. This work also explores the normalization strategy and its effects on circulating current. Moreover, the study addresses the second-harmonic ripple in converter capacitor voltage and describes its relation to the third-harmonic circulating current, inherent in the converter operation through mathematical expressions. Validations are conducted through both simulations and a prototype with three submodules per phase. The presented ripple generation mechanism model exhibits differences smaller than 4.5% compared to the simulation. Finally, the presented control tuning methodology was tested through simulations in two STATCOM systems at different power levels, and in a prototype, validating the control tuning strategy.

2
  • HUGO LEANDRO TOMAZ RANGEL
  •  

    ANÁLISE DE IMPACTOS DA INTEGRAÇÃO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM CONSUMIDORES CONECTADOS A REDE DE ENERGIA ELÉTRICA

     


  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EZEQUIEL DA SILVA OLIVEIRA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • RAPHAEL PAULO BRAGA POUBEL
  • WESLEY PERES
  • Data: 28/02/2024
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  • No atual contexto de expansão da integração de Geração Distribuida (GDs) na rede de distribuição elétrica, este estudo propõe uma análise aprofundada dos impactos sofridos por um consumidor devido à conexão de GDs, com ênfase nas fontes solar e eólica, por outros usuários na rede. A pesquisa adota uma abordagem pragmática, empregando o software OpenDSS como ferramenta investigativa.

    O objetivo primordial é identificar a influência das Gerações Distribuídas (GDs) solar e eólica na geração de desequilíbrios de tensão e alterações nos fluxos nos ramais. Para alcançar tal propósito, serão realizadas análises utilizando os sistemas de 13 e 8500 barramentos do IEEE, proporcionando uma representação abrangente e escalável do cenário de estudo.

    A metodologia empregada envolve a simulação computacional detalhada das GDs solar e eólica, considerando suas características específicas de geração intermitente. Isso permitirá a observação precisa dos efeitos provocados pela inserção dessas fontes na rede, levando em conta as variações temporais e sazonalidades inerentes às condições climáticas.

    A investigação visa não apenas quantificar os impactos, mas também compreender os impactos que estas provocam nos consumidores conectados aos sistemas de distribuição elétrica, considerando a natureza dinâmica das GDs solar e eólica. Tal abordagem contribuirá significativamente para o avanço do conhecimento na integração dessas fontes renováveis, fornecendo perspectivas valiosos para operadores de rede, pesquisadores e demais interessados na integração eficiente de GDs.

    Este estudo não apenas preenche uma lacuna no entendimento dos efeitos da geração distribuída que existe, quanto a análise dos efeitos aos consumidores, mas também fornece uma visão aprofundada sobre como as GDs solar e eólica podem impactar os sistemas elétricos, destacando padrões, desafios e oportunidades. Assim, contribui para a base teórica e prática no campo de geração distribuída de energia.

    Além disso, o estudo promove uma análise dos aspectos regulatórios, examinando os impactos que a evolução e o desenvolvimento da regulação podem provocar sobre a alta penetração das GDs. Nesse contexto, destacamos a importância de definir critérios regulatórios que garantam a eficiência operacional nos pilares técnicos, incluindo fluxo de potência na rede e nos elementos do sistema, perdas elétricas, desequilíbrio e perfil de tensão.

    É crucial ressaltar que o enfoque principal desta pesquisa está nos impactos diretos aos consumidores. Ao analisar os efeitos da integração de GDs, e compreendendo como as mudanças regulatórias e os critérios estabelecidos podem influenciar a experiência dos consumidores conectados à rede elétrica. Isso inclui a consideração de aspectos como confiabilidade do fornecimento e qualidade da energia

     


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  • In the current context of the expanding integration of Distributed Generation (DG) into the electrical distribution network, this study proposes a comprehensive analysis of the impacts experienced by a consumer due to the connection of DG, with a focus on solar and wind sources, by other users in the network. The research adopts a pragmatic approach, employing the OpenDSS software as an investigative tool.

    The primary objective is to identify the influence of solar and wind Distributed Generation (DG) on the generation of voltage imbalances and changes in branch flows. To achieve this purpose, analyses will be conducted using the IEEE 13 and 8500 bus systems, providing a comprehensive and scalable representation of the study scenario.

    The methodology employed involves detailed computational simulation of solar and wind DG, considering their specific characteristics of intermittent generation. This will allow precise observation of the effects caused by the integration of these sources into the network, taking into account temporal variations and seasonalities inherent in weather conditions.

    The investigation aims not only to quantify the impacts but also to understand the effects they have on consumers connected to the electrical distribution systems, considering the dynamic nature of solar and wind DG. Such an approach will significantly contribute to advancing knowledge in the integration of these renewable sources, providing valuable perspectives for network operators, researchers, and other stakeholders interested in the efficient integration of DG.

    This study not only fills a gap in understanding the effects of distributed generation but also provides an in-depth insight into how solar and wind DG can impact electrical systems, highlighting patterns, challenges, and opportunities. Thus, it contributes to the theoretical and practical foundation in the field of distributed energy generation.

    Additionally, the study promotes an analysis of regulatory aspects, examining the impacts that the evolution and development of regulation can provoke regarding the high penetration of DG. In this context, we emphasize the importance of defining regulatory criteria that ensure operational efficiency in technical pillars, including power flow in the network and system elements, electrical losses, imbalance, and voltage profile.

    It is crucial to emphasize that the main focus of this research is on the direct impacts on consumers. By analyzing the effects of DG integration and understanding how regulatory changes and established criteria can influence the experience of consumers connected to the electrical grid. This includes the consideration of aspects such as supply reliability and energy quality.

2023
Dissertações
1
  • HÉLDER GASPARINO MATTOS FILHO
  • Operador Integral no Domínio do Tempo para uma Antena tipo “offset”

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • FERNANDO JOSÉ DA SILVA MOREIRA
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 28/02/2023
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  • Neste trabalho, uma formulação assintótica foi desenvolvida para a determinação da resposta de uma antena com refletor parabólico “offset” iluminada por alimentador tipo cosseno elevado e dependência temporal na forma de um degrau unitário. A análise temporal para configurações “offset” tem sido pouco investigada na literatura A abordagem aqui utilizada foi desenvolvida através da aplicação do Método da Abertura e da Ótica Geométrica, e as expressões analíticas aqui obtidas são inéditas na literatura científica. Devido à complexidade das integrais de radiação no domínio do tempo, foi utilizado o software comercial Mathematica™ juntamente com o pacote de integração RUBI (Ruled Based Integration). Os resultados das integrações foram tratados e reescritos em formas mais aplicáveis, e a resposta ao degrau unitário, genérica para qualquer valor de n, parâmetro do modelo alimentador diretamente associado à diretividade da antena foi obtida em um operador integral, válido tanto para regiões de campo próximo quanto para campo distante, e que pode ser utilizado para o cálculo da resposta da antena a fontes com comportamento temporal realístico.


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  • In this work, an asymptotic formulation was developed to experiment the response of an antenna with an offset parabolic reflector illuminated by a high cosine feeder and time dependence in the form of a unitary step. Temporal analysis for “offset” configurations has been little investigated in the literature. The approach used here was developed through the application of the Aperture Method and Geometric Optics, and the analytical expressions transmitted here are unprecedented in the scientific literature. Due to the complexity of radiation integrals in the time domain, the commercial software Mathematica™ was used together with the integration package RUBI (Ruled Based Integration). The results of the integrations were treated and rewritten in more perfect forms, and the response to the unitary step, generic for any value of n, a parameter of the fed model directly associated with the directivity of the antenna, was met in an integral operator, valid both for the regions of near field and far field, and which can be used to study the antenna response to sources with realistic temporal behavior.

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  • FELIPE MACHADO DE FREITAS
  • Magneto-Inductive Waves in Metamaterial-Based Wireless Power Transfer Systems

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CHRISTIAN VOLLAIRE
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 26/05/2023
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  • Este trabalho propõe um método de análise de sistemas Magnetic Coupled Wireless Power Transfer (MCWPT) impressos operando em poucos MHz baseado em Modelo de Circuito (CM). Inicialmente discute-se o efeito das superfícies ressonantes na transmissão de energia sem fio e as vantagens de seu uso. Logo, o consequente aumento de eficiência é discutido com base na teoria de Magneto-Inductive Waves (MIW). Além disso, é analisada a viabilidade do uso de metasuperfícies em sistemas Wireless Power Transfer (WPT) onde o transmissor e o receptor estão desalinhados ou são coplanares. São apresentadas, também, possibilidades de otimização da impedância dos sistemas WPT para aumentar a eficiência da transmissão.

    Um modelo analítico é proposto para calcular a auto-indutância de indutores impressos, sua resistência característica e a indutância mútua entre bobinas. A formulação apresentada para o cálculo da indutância mútua entre indutores é baseada na fórmula de Neumann. Devido à generalidade desta abordagem, ela também pode ser aplicada a estruturas mais complexas, como metasuperfícies. Na análise do CM do MCWPT, considera-se que a corrente desconhecida ao longo da microfita é considerada como um único valor distribuído em cada bobina modelada. Primeiramente, são discutidos aspectos computacionais relacionados à implementação do modelo. Em seguida, os resultados calculados são comparados passo a passo com software comercial baseado em métodos eletromagnéticos no domínio da frequência. Em seguida, o modelo de microstrip é validado experimentalmente com medições de coeficientes de transmissão de um MCWPT impresso em FR4, operando em 24 MHz. Além disso, é proposto um novo design baseado em bobinas quadradas impressas, mas agora com tamanho reduzido e operando a 13,56 MHz. Com este sistema realiza-se uma análise no domínio da frequência sobre como a frequência e a posição do receptor sobre a metasuperfície afetam a eficiência. Em seguida, analisa-se a variação da impedância de entrada e a distribuição de corrente na superfície do metamaterial em relação às variações na posição do receptor e na taxa de carga na superfície ressonante. Para isso, a teoria de MIW é utilizada em aplicação específica: Rastreamento de Posição Passiva em Sistemas MCWPT Dinâmicos. Finalmente, discute a importância de conhecer a distribuição de corrente e os parâmetros de otimização de impedância para um sistema MCWPT.

    Os resultados mostram que o método proposto é válido para modelar indutores impressos. Além disso, o modelo se mostrou computacionalmente mais eficiente para análise de grandes sistemas quando comparado a softwares comerciais de simulação de onda completa, e os resultados práticos apontam para a conformidade.


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  • This 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 24 MHz. 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.

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  • RAQUEL DE CAUX GUERRA
  • 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

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Jorge Javier Giménez Ledesma
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • RAPHAEL PAULO BRAGA POUBEL
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • WESLEY PERES
  • Data: 29/06/2023
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  • Tradicionalmente, 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.

     


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  • Traditionally, aiming above all at taking advantage of economies of scale, on the world stage, electric power systems (EPS) are marked by centralized generation, in which there are high-capacity generation plants, located far from consumption centers. However, due to technical, environmental, social and respiratory issues, in recent years, paradigm shifts have been observed in the architecture of the electricity sector, characterized by the expansion of the use of wind and solar photovoltaic energy sources, variable renewable energy sources (VRES). The incorporation of VRES can cause many technical challenges, since, due to the fluctuating nature of the resources, the imbalance between generation and demand becomes more frequent and intense, rehearsing stability problems in the electric power grid. Thus, in view of the need to operate an electrical system in a robust and reliable manner and the growing number of VRES, this work proposes a methodology for frequency control in electrical systems with a high injection of VRES, using load and generation shedding and integration of battery into the network. For this purpose, an optimization problem was formulated that contemplates the particularities of wind generators, the droop characteristics of dispatchable generators, as well as the activation of charging/discharging a battery. For the optimal identification of the load and generation shedding, the meta-heuristic algorithm Particle Swarm was used.

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  • CHRISTIANE PALMIERE CAMPOS VIEIRA
  • APLICAÇÃO DO MÉTODO DE MONTE CARLO COMO FERRAMENTA PARA PLANEJAMENTO E CONTROLE DA MANUTENÇÃO EM SIRENES DE BARRAGENS DE REJEITOS NA MINERAÇÃO

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • Data: 30/06/2023
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  • O presente trabalho aborda aplicação do método de Monte Carlo como ferramenta para planejamento e controle da manutenção em sirenes de barragens de rejeitos na mineração. As estratégias que permitam a melhoria constante do planejamento e execução da manutenção, sobretudo na questão das sirenes de barragens, são fundamentais, visto o potencial letal de um sinistro dentro das mineradoras. Assim, neste trabalho foi investigada a aplicação do Método Monte Carlo para análise de previsibilidade de manutenção em postes de sirenes em barragens de rejeitos de mineração. Especificamente, foi realizada uma revisão bibliográfica sobre processos de mineração, barragens de rejeitos e processos de controle e gerenciamento manutenção; foi investigada a abrangência de aplicação do método Monte Carlo na indústria considerando sua aplicação para o planejamento e controle da manutenção; e, o método foi aplicado para estimativa de recursos dedicados a manutenção de postes de sirenes em barragens de rejeitos de mineração considerando o cenário de manutenções de maior criticidade. Por meio de uma abordagem quantitativa e qualitativa com foco em descrever, interpretar e compreender a percepção da gestão da segurança em barragens de contenção de rejeitos de mineração foi realizado um levantamento bibliográfico, buscando atender uma demanda de informações sobre a gestão da manutenção das barragens no ramo industrial minerador a partir do cenário nacional que fundamentou principalmente na comparação dos critérios de classificação de barragens no Brasil e as perspectivas de manutenção considerando as legislações e medidas adotadas para promoção da segurança em barragens. O estudo de caso se deu por meio de dados de barragens de contenção de rejeitos de uma empresa de mineração atuante no estado de Minas Gerais como fonte real para a aplicação do Método Monte Carlo. O principal resultado encontrado foi a comprovação da eficácia do Método Monte Carlo para a análise de previsibilidade de manutenção em postes de sirenes em barragens de rejeitos. Verificou-se eficácia ao traçar a tendência de cenários de falhas futuras, baseado no histórico, com oscilações estatisticamente previstas através da geração de números aleatórios. Foi possível concluir que a metodologia proposta e aplicada ao conjunto de falhas dos postes de sirene em barragens de rejeitos de mineração com intuito de previsibilidade de falhas, para cenários pessimista e otimista foi validada e permite o direcionamento da manutenção de forma assertiva. E ainda permitiu compreender que a elevação do número de falhas críticas após a realização dos simulados práticos de emergência, podem vir a caracterizar uma especificação de projeto tecnicamente inadequada para a condição de aplicabilidade dos componentes eletrônicos das sirenes.


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  • The present work deals with the application of the Monte Carlo method as a tool for planning and controlling the maintenance of sirens in tailings dams in mining. Strategies that impose constant improvement in maintenance planning and execution, especially in the issue of dam sirens, are fundamental, given the lethal potential of an accident within mining companies. Thus, in this work, the application of the Monte Carlo Method was investigated to analyze the predictability of maintenance on siren poles in mining tailings dams. Specifically, a literature review was carried out on mining processes, tailings dams and maintenance control and management processes; the scope of application of the Monte Carlo method in industry was investigated considering its application for maintenance planning and control; and the method was applied to estimate the resources dedicated to the maintenance of siren posts in mining tailings dams, considering the most critical maintenance scenario.Through a quantitative and qualitative approach focused on describing, interpreting and understanding the perception of safety management in mining tailings containment dams, a bibliographic survey was carried out, seeking to meet a demand for information on the maintenance management of dams in the mining industrial branch from the national scenario that was based mainly on the comparison of the classification criteria of dams in Brazil and the maintenance perspectives considering the legislation and measures adopted to promote safety in dams. The case study was based on data from tailings containment dams of a mining company operating in the state of Minas Gerais as a real source for the application of the Monte Carlo Method.The main result found was the confirmation of the effectiveness of the Monte Carlo Method for the analysis of maintenance predictability in siren poles in tailings dams. Efficiency was verified when tracing the trend of scenarios of future failures, based on the history, with statistically predicted oscillations through the generation of random numbers. It was possible to conclude that the methodology proposed and applied to the set of failures of siren posts in mining tailings dams with the aim of predicting failures, for pessimistic and optimistic scenarios, was validated and allows directing maintenance in an assertive way. And it also allowed us to understand that the increase in the number of critical failures after carrying out the practical emergency simulations, may come to characterize a technically inadequate design specification for the applicability condition of the electronic components of the sirens.

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  • MÁRCIO VINÍCIUS FRAGA SANTOS ANDRADE
  •  

    Aplicação do LRPIM na solução de problemas eletromagnéticos

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • Data: 16/08/2023
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  • A solução de problemas eletromagnéticos em engenharia, usualmente, se dá pelo cálculode campos eletromagnéticos, obtidos a partir da modelagem matemática desses problemas. Esse processo de modelagem, por sua vez, frequentemente se reduz à solução de umaou mais equações diferenciais. Apesar de serem bastante conhecidas e estudadas, tais equações são, em geral, de difícil solução ou mesmo insolúveis por meio de técnicasanalíticas, sendo necessário o uso de técnicas computacionais para a produção de soluçõesnuméricas. Os métodos sem malha constituem uma classe de métodos numéricos paraa solução de problemas de valor de contorno (PVCs) descritos por equações diferenciaiscuja principal característica é a ausência de malhas para a decomposição do domíniode análise em elementos ou células. Isso permite resolver problemas geometricamentemais complexos, evitando distorções na solução numérica resultantes da decomposiçãodo domínio, ou mesmo os casos onde tal distorção se deve ao fato da solução numéricavariar muito rapidamente ao longo domínio. Todavia, verifica-se na literatura que a maiorparte das aplicações dos métodos sem malha se dá sobre problemas envolvendo o cálculode grandezas escalares. Neste trabalho, o foco principal é a aplicação dos métodos semmalha na solução de PVCs vetoriais, utilizando o método local de interpolação radial deponto (LRPIM). Tais problemas são descritos por meio da equação de onda vetorial emuma formulação mista, onde a condição livre de divergência é implementada como umaequação secundária e um multiplicador de Lagrange é utilizado para tornar o sistemamatematicamente bem-posto. Para estender o LRPIM a PVCs vetoriais e garantir aimposição adequada das condições de fronteira essenciais, propõe-se a construção de umabase vetorial nodal cuja função é acomodar as características vetoriais dos problemasapresentados enquanto possibilita a aplicação das aproximações numéricas propostas peloLRPIM. Para verificar o funcionamento desse método, bem como avaliar o seu desempenho,dois tipos de problemas são apresentados: primeiramente, alguns problemas escalares sãoutilizados para avaliar as principais características do LRPIM enquanto método sem malha.A partir das análises feitas sobre essas implementações, um segundo conjunto de problemasvetoriais é apresentado e seus resultados utilizados tanto para validar a formulação mistacomo modelo matemático quanto para avaliar o desempenho do LRPIM frente a esse tipode PVC.


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  • The solution of electromagnetic problems in engineering is usually done through the calculation of the electromagnetic fields obtained from the mathematical modeling of those problems. This process is, in turn, often reduced to the solution of one or more differential equations. Although they are very much known and studied, such equations are, in general, of difficult solution or even impossible to solve via analytic approaches, demanding the use of computational methods to provide numerical solutions. The meshfree methods constitute a class of numerical techniques for the solution of boundary value problems (BVPs) described by differential equations, and whose main characteristic is the absence of meshes for the domain decomposition in elements or cells. That allows the solution of more geometrically complex problems, avoiding distortions in the numerical solutions provoked by domain decomposition, or even situations where this distortion is caused by the variation of the solution throughout the domain. However, it is verified in literature that most applications of meshfree methods are made to solve problems involving scalar quantities. In this work, the main focus is the application of meshfree methods in the solution of vector BVPs, using the meshless local radial point interpolation method (LRPIM). Such problems are described by the vector wave equation in a mixed formulation, where the divergence-free constraint is implemented as a secondary equation and a Lagrange multiplier is utilized to make the problems mathematically well-posed. To extend the LRPIM to vector BVPs and assure the adequate imposition of essential boundary conditions, the construction of a nodal vector basis is proposed, whose function is to accommodate the vector characteristics of the problems presented, while enabling the application of the LRPIM’s numerical approximations. To verify the method’s operation, as well as to evaluate its performance, two types of problems are proposed: first, some scalar problems are used to evaluate the main characteristics of the LRPIM as a meshfree method. From the analysis made over the results of these implementations, a second set of vector problems is presented and their results used to both validate the mixed formulation as a mathematical model, and to assess the LRPIM’s performance for this kind of BVP.

     

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  • LORRANE PRADO SILVA DO CARMO
  • ESTIMAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ESTATOR EM MÁQUINAS DE INDUÇÃO

    ATRAVÉS DE COMPONENTES DE SEQUÊNCIA ZERO

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • CLODUALDO VENICIO DE SOUSA
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Data: 31/08/2023
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  • Monitorar o consumo de energia de motores de indução é uma tarefa importante na indústria para garantir uma operação econômica. O rendimento do motor é convenientemente obtido a partir do conjugado eletromagnético e da velocidade de rotação. O conjugado é facilmente calculado a partir das tensões e correntes do estator e depende apenas de um parâmetro da máquina, a resistência do enrolamento do estator, Rs. Para estimar com precisão o conjugado eletromagnético, Rs geralmente é estimada online. Entre os vários métodos de estimação de Rs disponíveis na literatura, o método de injeção c.c é um dos mais bem sucedidos. Ele possui uma alta precisão e baixo nível de intrusão em relação a outros métodos. No entanto, o método causa oscilações de conjugado eletromagnético e de velocidade na máquina que são altamente indesejáveis para diversos processos industriais. É bem conhecido o fato de que as componentes de sequência zero da corrente do estator não contribuem para o conjugado eletromagnético e não causam oscilações no conjugado eletromagnético. Sendo calculada a partir de um modelo simples de primeira ordem, a corrente de estator de sequência zero pode ser utilizada para estimar Rs. A proposta central desse trabalho consiste em utilizar componentes de sequência zero da tensão e da corrente de estator tanto em Máquinas com Terminais Centrais Abertos, MITCA, quanto na Máquina de Indução conectada diretamente à rede para estimar Rs. Na configuração MITCA com barramento único e sob determinadas condições, ocorre a circulação de correntes de sequência zero. Essas correntes são utilizadas aqui para estimação de Rs. Na configuração com a máquina ligada à rede, o terminal central da máquina é conectado ao terminal neutro da fonte, para promover a circulação de corrente de sequência zero comumente existente na rede. Outra estratégia aqui adotada é a implementação de um circuito gerador de pulsos para sintetizar essa componente sem depender da existência de tensão de sequência zero na rede. Dentre as propostas de injeção de sequência zero, a injeção com o pulso teve um desempenho mais satisfatório, com a estimativa de Rs com um erro praticamente nulo. Observou-se através dos experimentos o impacto de se utilizar sensores de medição com a escala muito maior que a tensão e o impacto da taxa de amostragem na estimação.


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  • Monitoring the energy consumption of induction motors is an important task in industry to ensure cost-effective operation. The motor efficiency is conveniently obtained from the electromagnetic torque and the rotation speed. Torque is easily calculated from stator voltages and currents and depends only on one machine parameter, the stator winding resistance, Rs. To accurately estimate the electromagnetic torque, Rs is usually estimated online. Among the various Rs estimation methods available in the literature, the DC injection method is one of the most successful. It has a high accuracy and an acceptable level of intrusion. However, the method causes oscillations of electromagnetic torque and speed in the machine that are highly undesirable for several industrial processes. It is well known that the zero-sequence components of the stator current do not contribute to the electromagnetic torque and do not cause oscillations in the electromagnetic torque. Being calculated from a simple first-order model, the zero-sequence stator current can be used to estimate Rs. The central proposal of this work is to use zero sequence components of stator voltage and current both in Machines with Open-End Winding Induction Machine, OEW, and in the Induction Machine directly connected to the network to estimate Rs. In the OEW configuration with a single bus and under certain conditions, zero-sequence currents flow. These currents are used here for the estimation of Rs. In the configuration with the machine connected to the mains, the central terminal of the machine is connected to the neutral terminal of the source, to promote the circulation of zero sequence current commonly existing in the mains. Another strategy adopted here is the implementation of a pulse generator circuit to synthesize this component without depending on the existence of zero-sequence voltage in the mains. Among the zero-sequence injection proposals, pulse injection had a more satisfactory performance, with the estimation of Rs with a practically zero error. Through the experiments, the impact of using measuring sensors with a scale much larger than the voltage and the impact of the sampling rate on the estimation were observed.

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  • PAULIANA RUFINO DE ALMEIDA LIMA OLIVEIRA
  • Controle 𝓗∞ Robusto discreto baseado em formulações LMI e otimização evolutiva

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CECILIA DE FREITAS MORAIS
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • Data: 15/09/2023
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  • Desigualdades 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.


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  • Linear matrix inequalities (LMI) are a powerful tool in the field of analysis and synthesis of robust control systems. This work presents new formulations based on linear matrix inequalities for robust ℋ∞ control synthesis by state-feedback and static output-feedback for discrete time-invariant linear systems. State-feedback robust control is usually more widely applied because its controller is more efficient than the output-feedback controller and it is easier to obtain LMI formulations for the synthesis. However, it is not always possible to have all the state variables available for implementation of this control action. The synthesis of robust control by static output- feedback or dynamic output-feedback is more complicated to be formulated as convex optimization problems based on linear matrix inequalities. One strategy for obtaining formulations for static output-feedback control synthesis is to transform a state-feedback control synthesis formulation through a change of variables. This change of variables requires the choice of a matrix. The choice of this matrix affects the performance of the resulting controller or even the existence of a feasible solution to the problem. The proposed fomulations for robust state-feedback control synthesis include an additional matrix variable, which allows the Lyapunov function to be parameter dependent, as well as two scalar parameters that must be chosen by the designer. This work proposes applying evolutionary optimization to determine the optimized values of these two parameters, in the case of state-feedback control, and of these two parameters plus the additional matrix of the variable change, in the case of static output-feedback control, to obtain the optimal robust ℋ∞ control system. The proposed characterizations encompass existing formulations in the literature for specific values of the two scalar parameters. Case studies are presented to demonstrate the possibility of achieving better control system perfomance by means of the proposed formulations.

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  • DANIEL FRANCO LEAL
  • Implementação de Controle de Corrente por Histerese Digital com Limitação da Frequência de comutação em um Inversor NPC Tipo G para Acionamentos de Média Tensão

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • THIAGO MORAIS PARREIRAS
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • LENIN MARTINS FERREIRA MORAIS
  • Data: 06/10/2023
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  • Nas grandes indústrias, como siderurgia e mineração, por exemplo, os inversores de frequência devem ser capazes de operar na faixa de média tensão e alta potência. Desse modo, os inversores multiníveis têm uma importância significativa em acionamentos nessa faixa de operação. Suas vantagens incluem um melhor espectro de frequência das tensões e correntes de saída, redução das perdas por comutação e redução do estresse sofrido pelos interruptores eletrônicos. Neste sentido, o conversor Neutral Point Clamped (NPC) cumpre bem esse papel. Essa topologia está consolidada no mercado, e é muito importante em acionamentos de alta potência. Ela possui algumas variações, como por exemplo o NPC Tipo G, que fornece cinco níveis de tensão de fase na saída do conversor. As técnicas de controle e comutação aplicadas a esses inversores são um fator determinante no comportamento da tensão sintetizada. Este trabalho propõe o desenvolvimento, implementação e avaliação experimental de uma estratégia de comutação que utiliza a histerese de corrente. O acionamento é realizado de forma digital, ou seja, os sinais medidos e utilizados no controle são amostrados. Assim, é comum utilizar-se da frequência de amostragem para limitar a frequência de comutação dos interruptores eletrônicos, já que a frequência máxima de atuação é metade da frequência de amostragem. Baixas taxas de amostragem, por outro lado, diminuem a eficácia do controle, além de causar problemas no comportamento da histerese de corrente operando em conversores multiníveis. Dessa forma, esta pesquisa propõe uma forma de utilizar a histerese de corrente com altas taxas de amostragem, utilizando-se um circuito limitador de frequência nos sinais de comando dos interruptores eletrônicos. Essa técnica dissocia a frequência de amostragem da frequência de atuação, melhorando o funcionamento do modulador e diminuindo a distorção harmônica total da tensão e da corrente do inversor. Essas características são comprovadas através de resultados coletados na implementação do acionamento através de simulação computacional e experimentação em laboratório.


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  • In heavy industries such as steel and mining, for example, frequency inverters must be able to operate in the medium voltage and high power range. Thus, multilevel inverters have a significant importance in drives in this kind of operation. Its advantages include a better frequency spectrum of output voltages and currents, reduction of switching losses and the stress suffered by electronic switches. In this sense, the Neutral Point Clamped (NPC) converter fulfills this role well. This topology is consolidated in the market, and is very important in high power drives. It has some variations, such as the NPC Type G, which provides five levels of phase voltage at the output of the converter. The control and switching techniques applied to these inverters are a determining factor in the behavior of the synthesized voltage. This work proposes the development, implementation and experimental evaluation of a switching strategy that uses the current hysteresis. The drive is performed digitally, wich means that, the signals measured and employed in the control are sampled. Thus, it is common to use the sampling frequency to limit the switching frequency of electronic switches, since the maximum actuation frequency is half the sampling frequency. Low sampling rates, on the other hand, decrease control effectiveness, and cause problems in current hysteresis behavior operating in multilevel converters. In this sense, this research proposes a way to implement the current hysteresis with high sampling rates, using a frequency limiting circuit in the control signals of the electronic switches. This technique dissociates the sampling frequency from the actuation frequency, improving the operation of the modulator and reducing the total harmonic distortion of the inverter voltage and current. These characteristics are confirmed by results collected in the implementation of the drive through computer simulation and laboratory experimentation.

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  • DIUARY GONÇALVES
  • High-Performance Passive Impedance Network Model for Grid-Tie Inverters.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • RODRIGO CÁSSIO DE BARROS
  • WESLEY PERES
  • Data: 01/11/2023
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  • Nos últimos anos, o rápido crescimento de recursos energéticos distribuídos (DERs, do inglês distributed energy resources), impulsionados principalmente pela geração fotovoltaica, aumento o número de inversores conectados à rede, o que levou a novas preocupações com a estabilidade na rede elétrica. As interações harmônicas na rede são tradicionalmente estudadas por meio de simulações no domínio do tempo, exigindo processamento computacional substancial e tornando-as impraticáveis para redes de grande escala. Este trabalho introduz um modelo baseado em componentes passivos para modelar inversores fotovoltaicos, baseado no modelo médio do inversor, e aplicando a regra de Mason no diagrama de blocos que descreve o comportamento do inversor, é possível determinar a impedância de saída para cada frequência de interesse. Essa abordagem, chamada de modelo de rede de impedância passiva (PIN, do inglês passive impedance network), utiliza componentes passivos RLC para reproduzir o comportamento em estado estacionário dos DERs em frequências específicas de interesse. O modelo proposto é comparado com o modelo chaveado, o modelo médio e uma configuração experimental sob diferentes distorções de rede e perfis de corrente injetada. Uma comparação da distorção total da demanda entre o modelo PIN proposto e resultados experimentais são realizadas. O efeito das variações nos parâmetros dos DERs na precisão do modelo PIN é apresentado. Além disso, o modelo PIN apresenta um desempenho computacional melhorado em comparação com o modelo chaveado no domínio do tempo, reduzindo em 99% o tempo computacional. Ademas, os modelos mantiveram a precisão quando aplicados em um cenário de geração distribuída com oito inversores com controles diferentes foram conectados em paralelo, com resultados indicando um erro em torno de 1%. Finalmente, considerando um estudo de caso com 300 inversores conectado na rede, o modelo PIN é comparado com o modelo médio, apresentando tempos de simulação similares.


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  • In recent years, the rapid growth of inverter in the distributed energy resources (DER), driven primarily by photovoltaic generation, has intensified stability concerns within the electrical grid. The harmonic interactions among these systems have traditionally been studied through time-domain simulations, demanding substantial computational processing, and rendering them impractical for large-scale networks. However, this work introduces an approach based on passive components to model photovoltaic inverters, leveraging the average model and Mason rule to determine output impedance for each frequency of interest. This approach, named the passive impedance network (PIN) model, employs passive RLC components to capture the steady-state behavior of DERs at specific frequencies of interest. The proposed model is compared with the switched model, average model, and an experimental setup under different grid distortions and injected current profiles. A comparison of the total demand distortion between the proposed PIN model and the experimental results is carried out. The effect of DER parameter deviations on PIN model accuracy is addressed. Besides, the PIN model presents an improved computational performance compared to the time-domain-based switching model, requiring about 99% less computational burden. Furthermore, the models maintained precision when applied in a distributed generation scenario with eight different inverters connected in parallel, with results indicating an error around 1%. Finally, considering a case study with 300 inverters connected in the grid, the PIN and average model demonstrated similar simulation times.

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  • WILLIAM ARAÚJO OLIVEIRA
  • Desenvolvimento de um Sistema Rectenna para Alimentação de Sensores Sem Fio

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ULYSSES ROBERTO CHAVES VITOR
  • Gláucio Lopes Ramos
  • RICARDO LUIZ DA SILVA ADRIANO
  • TULIO CHARLES DE OLIVEIRA CARVALHO
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 13/11/2023
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  • Nos dias atuais o interesse da comunidade científica pela transmissão de energia sem fio por meio de rectennas apresenta um aumento significativo devido ao desenvolvimento de novas tecnologias, inclusive as novas demandas de energia para dispositivos empregados na internet das coisas. Entretanto, os limites seguros de potência da fonte de RF e a baixa densidade de energia a medida que se afasta da fonte disponível limita a aplicação das rectennas. A sensibilidade da rectenna para uma dada densidade de potência pode ser melhorada através da adoção de várias estratégias técnicas, entre essas destaca-se a elevação do ganho, a otimização da eficiência de radiação e total da antena. A contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema rectenna, para alimentação de um sensor sem fio, com antenas impressas de alto ganho e eficiência total elevada. São utilizados os substratos FR-4 e RT/Duroid 5880 em geometrias diversas na construção de antenas e retificadores a fim de obter o melhor desempenho. Utiliza-se o CST® para simular e otimizar os parâmetros das antenas, e o ADS® para desenvolver os retificadores. A topologia dobrador de tensão é adotada para o retificador a fim de obter níveis de tensão adequados à necessidade da carga. As amostras projetadas são otimizadas para obter valores de S11 abaixo de -10dB nas frequências de interesse. As antenas e retificadores construídos apresentaram resultados próximos aos obtidos nas simulações. O sistema rectenna foi validado através da medição de corrente e tensão entregue para a carga com a rectenna em distâncias variadas da antena transmissora conectada a fonte de RF. Ocorreram pequenas variações na saída da rectenna para cargas com impedância maior que 1 kΩ, mas para cargas com impedâncias entre 10 Ω e 240 Ω os níveis de tensão foram reduzidos a valores muito baixos comprometendo tanto o desempenho da rectenna quanto o funcionamento adequado da carga. Então, foi desenvolvido um estágio buffer na saída CC da rectenna para melhorar a capacidade de alimentar cargas com impedâncias menores. A eficiência da conversão da rectenna projetada em uma carga de 820 Ω foi medida e encontra-se compatível com outros resultados disponíveis na literatura. Além disso, experimentos realizados com conversores boost mostram uma melhora da capacidade de fornecimento de energia em corrente contínua para o módulo sensor sem fio proposto.


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  • Nowadays, the interest of the scientific community in wireless energy transmission through rectennas has shown a significant increase due to the development of new technologies, including new energy demands for devices used in the internet of things. However, the safe power limits of the RF source and the low energy density as it moves away from the available source limits the application of rectennas. The sensitivity of the rectenna for a given power density can be improved through the adoption of several technical strategies, among which the increase in gain and the optimization of the radiation and total efficiency of the antenna stand out. The contribution of this work is the development of a rectenna system, for feeding a wireless sensor, with printed antennas of high gain and high total efficiency. FR-4 and RT/Duroid 5880 substrates are used in different geometries in the construction of antennas and rectifiers in order to obtain the best performance. CST® is used to simulate and optimize the antenna parameters, and ADS® is used to develop the rectifiers. The voltage doubler topology is adopted for the rectifier in order to obtain voltage levels appropriate to the load’s needs. The designed samples are optimized to obtain S11 values below -10dB at the frequencies of interest. The constructed antennas and rectifiers presented results close to those obtained in the simulations. The rectenna system was validated by measuring the current and voltage delivered to the load with the rectenna at varying distances from the transmitting antenna connected to the RF source. There were small variations in the rectenna output for loads with impedance greater than 1 kΩ, but for loads with impedances between 10 Ω and 240 Ω the voltage levels were reduced to very low values, compromising both the rectenna performance regarding the proper functioning of the load. Therefore, a buffer stage was developed at the rectenna’s DC output to improve the ability to supply loads with lower impedances. The conversion efficiency of the designed rectenna at a load of 820 Ω was measured and is compatible with other results available in the literature. Furthermore, experiments carried out with boost converters show an improvement in the direct current power supply capacity for the proposed wireless sensor module.

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  • MARCELO FERREIRA GODINHO
  • SÍNTESE CONJUNTA DO CONTROLADOR E DOS

    MECANISMOS DE TRANSMISSÃO POR EVENTO EM

    SISTEMAS DE CONTROLE VIA REDE

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Luciano Antonio Frezzatto Santos
  • ANA PAULA BATISTA
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • Data: 01/12/2023
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  • Este 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 a integral do erro absoluto média e do número de transmissões média 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 aperfeiçoada do algoritmo de otimização evolução diferencial multiobjetivo proposta por Gonçalves et al. (2022) 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.


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  • This work presents a multi-objective formulation for codesign of controller and event-triggered transmission mechanisms, with sampling period optimization, for networked control systems to obtain different tradeoffs between the average of the absolute error integral and average number of data transmissions. Random transmission delays and packet loss are considered for each sensor/controller and controller/actuator communication link. An improved version of the multi-objective differential evolution optimization algorithm proposed by Gonçalves et al. (2022) is applied to obtain a set of efficient solutions that simultaneously determine the gains of the multivariable proportional-integral controller, the sampling period, and the triggering thresholds of the decentralized event transmission mechanisms for each sensor/controller and controller/actuator connection. Considering the stochastic aspect of delays and packet losses, the objective functions are calculated based on the average of the absolute error integral and the average number of transmissions, for different simulations. The proposed joint synthesis methodology is evaluated through computer simulation using examples of multivariable control systems. Despite the high computational cost required by the proposed synthesis method, the results of the case studies demonstrate that it is possible to combine good performance of the control system with a significant reduction in the number of transmissions in the network even in the presence of varying delays and packet losses.

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  • JONATHAN SILVA DE OLIVEIRA
  • ESTRATÉGIAS DE BALANCEAMENTO DE ESTADO DE CARGA E SAÚDE PARA SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO BASEADOS EM BATERIAS INTELIGENTES

  • Orientador : ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO MOREIRA VICENTE
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • ERICK MATHEUS DA SILVEIRA BRITO
  • TOMÁS PERPETUO CORRÊA
  • Data: 12/12/2023
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  • A busca por métodos mais eficientes de se armazenar energia elétrica é impulsionada pela alta demanda de dispositivos portáteis, veículos elétricos e de fontes de geração de energia elétrica não despacháveis, como solar e eólica. Dentre as formas de se armazenar energia elétrica, o uso de baterias torna-se uma das melhores opções, devido a maior facilidade de projetar e aplicar esta tecnologia. Diversas são as químicas que podem ser utilizadas em baterias, mas, a tecnologia de lítio íon vem se destacando pela maior eficiência e vida útil. 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, e contribuir para aumentar a vida útil das baterias, surgem técnicas que utilizam a tecnologia de baterias inteligentes. O termo bateria inteligente se designa a métodos distribuídos de se gerenciar uma bateria, reduzindo o impacto de uma topologia centralizada, em que o gerenciamento individual é mais complexo. Este trabalho tem como objetivo estudar técnicas de balanceamento de estado de carga (SOC) e estado de saúde (SOH) em baterias inteligentes. Para alcançar esse objetivo tornou-se necessário o desenvolvimento de um modelo de uma bateria com representação da sua degradação no software PLECS. Além disso foi implementado um modelo médio do conversor c.c./c.c. boost com o intuito de reduzir a complexidade do modelo e permitir simulações de longo período. Uma técnica de balanceamento de SOC, com ganho proporcional fixo, encontrada na literatura, é implementada. Logo após, a técnica encontrada na literatura tem seu ganho fixo alterado para um ganho variável, que dependerá dos dados atuai da bateria. Uma técnica de balanceamento de SOH, em cascata, é apresentada e sua ação de controle é aplicada como um offset na técnica de balanceamento de SOC. É realizado um estudo de caso em dez baterias, com capacidades e estados de carga diferentes. O balanceamento de SOC da técnica de balanceamento com ganho fixo apresenta bons resultados, porém na técnica de balanceamento com ganho variável o balanceamento ocorre mais rápido e garante um erro em regime permanente menor. O balanceamento de SOC é uma técnica de balanceamento dinamicamente mais rápida que o balanceamento de SOH, porém o uso de técnicas de balanceamento de SOH podem postergar a substituição de uma bateria.


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  • The high demand for portable devices, electric vehicles, and non-dispatchable power generation sources such as solar and wind drive the search for more efficient methods of storing electrical energy. Among the ways to store electricity, using batteries becomes one of the best options, due to the greater ease of designing and applying this technology. Several chemicals can be used in batteries, but lithium-ion technology has been highlighted by greater efficiency and service life. Increasing the life of a battery is one of the main current themes, since in applications such as electric vehicles, the battery corresponds to a large part of the initial investment and is usually replaced after losing about 20% of its nominal capacity. To use electric vehicle batteries for longer, and contribute.To use the batteries of electric vehicles for longer, and contribute to increasing the life of the batteries, techniques that use the technology of intelligent batteries arise. Intelligent battery refers to distributed methods of managing a battery, reducing the impact of a centralized topology, in which individual management is more complex. This work aims to study techniques of balance of state of charge (SOC) and state of health (SOH) in smart batteries. To achieve this goal it became necessary to develop a model of a battery with representation of its degradation in PLECS software. In addition, an average model of the dc/dc boost converter was implemented to reduce the complexity of the model and allow long-term simulations. A SOC balancing technique, with fixed proportional gain, found in the literature, is implemented. Soon after, the technique found in the literature has its fixed gain changed to a variable gain, which will depend on the current data of the battery. A cascading SOH balancing technique is presented and its control action is applied as an offset in the SOC balancing technique. A case study is conducted on ten batteries, with different capacities and charge states. The SOC balancing technique with fixed gain presents good results, but in the balancing technique with variable gain balancing occurs faster and ensures a smaller permanent error. SOC balancing is a dynamically faster-balancing technique than SOH balancing, but the use of SOH balancing techniques can postpone the replacement of a battery.

     

2022
Dissertações
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  • MATEUS ALVES RIBEIRO BELO
  •  Minimização do uso da rede de comunicação em controle via rede com transmissão por evento

     

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • ANA PAULA BATISTA
  • JOÃO MANOEL GOMES DA SILVA JR.
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • Data: 14/02/2022
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  • O 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.


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  • The use of data communication networks, especially wireless, is an interesting option to reduce the costs of installing and maintenance in control systems. On the other hand, the use of communication networks introduces new factors to consider in the control system design such as random message transmission delays and packet dropouts. These problems are accentuated with the increased use of the network. In networked control systems, by means of event-triggered transmission, it is possible to reduce the network usage, keeping the control system performance at satisfactory levels. There are several schemes for transmission triggered by events according to the trigger law. The difficulty in applying event-triggered transmission is determining the optimal settings that result in a good tradeoff between network usage and control system performance. In the case of decentralized event transmission, it is necessary to adjust the parameters of the trigger law for each link sensor/controller and controller/actuator. In this work, a multi-objective optimization problem is proposed to tune the event-triggered mechanisms. On solving the proposed problem by means of multi-objective evolutionary optimization, a set of efficient solutions are generated with different tradeoffs between control system performance and the number of transmissions in the communication network. To solve the proposed problem, an improvement in a multi-objective differential evolution algorithm is developed with a new elitism method of the Pareto-optimal front. The proposed method is applied to tune decentralized event-triggered mechanisms for a controller given a priori, considering random network-induced delays and packet dropouts. Three case studies of multivariable control systems are presented comparing the performance of eight different decentralized event-triggered schemes, analyzing the selection of the sampling period, and demonstrating the efficacy of the proposed tuning method.

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  • ANA CAROLINA PEREIRA DE OLIVEIRA
  • PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA EM LINHAS DE TRANSMISSÃO COM COMPENSAÇÃO SÉRIE ATRAVÉS DE REDE NEURAL ARTIFICIAL

  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • LUÍS HENRIQUE LOPES LIMA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • Data: 19/05/2022
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  • O contínuo aumento das unidades consumidoras implica a necessidade de maior transmissão de energia elétrica. Dentre as alternativas, a compensação série em linhas de transmissão da rede básica tem como vantagem o aumento da capacidade de transmissão, a melhoria da estabilidade do sistema, a diminuição da necessidade de equipamentos de controle de tensão, além de ser mais econômica que as demais opções de aumento da transmissão de energia. Entretanto, tal alternativa pode gerar alguns problemas no sistema, principalmente relacionados à proteção de distância. O relé de distância é um dos principais equipamentos empregados na proteção do sistema elétrico, sendo muito utilizado na proteção principal em linhas de transmissão mais longas e na proteção de retaguarda nas mais curtas. A filosofia dessa proteção fundamenta-se na medição e na avaliação da impedância e, no caso de ocorrência de um curto-circuito, é proporcional à distância ao ponto de defeito, considerando-se a resistência de falta igual a zero. No entanto, a compensação série da linha e a proteção do banco de capacitores alteram os parâmetros de acionamento do relé. Este trabalho tem por objetivo utilizar redes neurais artificiais para a melhoria da exatidão na identificação do tipo de falta e determinação da zona de atuação do relé de distância em linhas de transmissão compensadas. Para isso, simulou-se uma batelada de casos de falta em linhas do tronco Norte-Sul I do Sistema Elétrico Brasileiro, com capacitores série nas duas extremidades. Para geração dos dez tipos de curto-circuito, utilizou-se a variação do ângulo de incidência, da resistência de falta e da distância de ocorrência. Com os resultados, foi possível comparar o desempenho das redes neurais em diferentes cenários e entre o relé convencional e o modelo proposto baseado em rede neural.


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  • The continuous increase in power demand require higher capacity for electric power transmission. Among the alternatives, the installation of series compensation on long High Voltage transmission line has the advantage of increasing the power transmission capacity, improving the stability of the system, reducing the need for voltage control equipment, in addition to being more economical than another options for increasing power transmission. However, some problems might happen in the system when using this alternative, mainly related to protection. The distance relay is one of the main equipment for electrical systems protection, it is widely used in the main protection in longer transmission lines and in the rear protection in the shorter ones. The philosophy of this protection is based on the measurement and evaluation of the impedance of the short-circuited section, which is proportional to the distance to the fault point. However, line series compensation and capacitor bank protection change the relay trigger parameters. This work aims to improve the accuracy in identifying the type of fault and determining the zone of action of the distance relay in compensated transmission lines using artificial neural networks. For this, a batch of fault cases was simulated in lines of the North-South trunk of the Brazilian electrical system, with series capacitors at both ends. The angle of incidence, the fault resistance and the distance of occurrence were varied to generate the ten types of short circuit. The results allow to compare the performance of neural networks in different scenarios and between the conventional relay and the proposed model based on neural network.

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  • GLEISON VIANA SILVA
  • Estratégias de Controle para Redução de Ondulação de Tensão em Inversores Fotovoltaicos Monofásicos de Dois Estágios

  • Orientador : ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • ERICK MATHEUS DA SILVEIRA BRITO
  • LUCAS SANTANA XAVIER
  • Data: 04/07/2022
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  • Inversores 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 de 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 de controle 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 baseada em controle ressonante e 0,95% para a técnica de normalizacão 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.


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  • Single-phase photovoltaic inverters have been widely used in photovoltaic systems with a rated power of less than 10 kW. Among the many inverter topologies available, those based on double-conversion stage topologies are popular in the industry. It is known that single-phase inverters exhibit a second harmonic ripple at the dc-link voltage. Because the instantaneous power is not constant. This voltage ripple can cause variations in the terminal voltage of the photovoltaic array, reducing the efficiency of the maximum power point tracking, even in inverters with two conversion stages (with c.c./c.c. converter). Initially, this work investigates from analytical models the efficiency reduction caused by second harmonic component. These models are validated through computer simulations. Voltage ripples greater than 10% peak to peak at the inverter input capacitor have been shown to lead to a maximum power tracking efficiency loss of the order of 1%. Besides, this work then investigates two control techniques to reduce the ripple in the terminals of the photovoltaic module. The inverters studied are of double-conversion stage and the techniques do not require additional measurements. The first technique is based on a real-time normalization of the c.c./c.c converter control signal. The second technique is based on the addition of a second-harmonic resonant controller. The case study is based on a 4.4 kVA/220 V photovoltaic inverter with input for two photovoltaic strings. The results indicate that both techniques are capable of performing the attenuation of the voltage ripple at the terminals of the photovoltaic arrangement, resulting in efficiency gains in the order of 0.74% for the strategy based on resonant control and 0.95% for the proposed normalization technique. As advantages, the normalization technique seems more simple than the second one, since it does not require modification of the control structure of the c.c./c.c converter.

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  • BELL ABRÃO MARQUES DUANE
  • Métodos de Momentos e Elipsoidal Aplicados no Cálculo e Otimização de Campos Eletromagnéticos de Linhas de Transmissão

  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RODNEY REZENDE SALDANHA
  • Data: 07/07/2022
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  • Este trabalho apresenta uma abordagem numérica para o cálculo e a otimização dos campos eletromagnéticos gerados por linhas de transmissão aéreas, através do Método de Momentos e do Algoritmo Elipsoidal. O Método de Momentos é baseado em uma formulação integral, e permite que o problema aberto ilimitado seja inteiramente definido na sua fronteira, o que diminui a quantidade de variáveis em comparação com outros métodos. A metodologia proposta foca em uma perspectiva dual para o cálculo de ambos os campos elétricos e magnéticos, e pode ser utilizada para encontrar os gradientes de potencial tanto na superfície dos condutores, quanto em qualquer ponto de interesse no espaço. O trabalho propõe também a análise da influência dos cabos de guarda, de diferentes funções de interpolação e quantidades de elementos de contorno nas distribuições de campo resultantes. Por fim, o método de momentos é acoplado ao método elipsoidal de otimização, com objetivo de minimizar a intensidade dos campos eletromagnéticos avaliados ao nível do solo. Múltiplas restrições de projeto e segurança relacionadas ao projeto original são consideradas no processo de otimização, e as novas posições dos feixes incorrem em perfis reduzidos de campos elétricos e magnéticos ao nível do solo, sem ultrapassar os limites de campo superficial crítico impostos. Os resultados obtidos no trabalho indicam que a metodologia apresentada é robusta e pode ser utilizada no projeto e na otimização de linhas aéreas de transmissão.


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  • This work presents a numerical approach for computing and optimizing the electromagnetic fields generated by overhead power lines, by means of the Method of Moments and the Ellipsoidal Algorithm. The Method of Moments is based on an integral formulation and allows the unbounded problem to be entirely defined at its boundary, which reduces the number of variables in comparison with other methods. The proposed methodology focuses on a dual perspective for calculating both the electric and magnetic fields, and can be used to find the potential gradients not only at the surface of the conductors, but also at any point of interest in space. The work also proposes the analysis of the influence of grounding wires, and of different interpolation functions and boundary element quantities in the resultant field distributions. Lastly, the method of moments is coupled with the ellipsoidal method of optimization, with the goal of minimizing the electromagnetic field intensities at ground level. Multiple design and security constraints related to the original project of the line are considered in the optimization process, and the new bundle positions incur in reduced electric and magnetic field profiles at ground level, without surpassing the imposed critical field limits on the surface. The obtained results suggest the presented methodology is robust and can be applied on the design and optimization of overhead power lines.

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  • ROMULO JOSÉ DA SILVA JÚNIOR
  • Estabilização local entrada-estado de sistemas incertos discretos no tempo sujeitos a atraso variante no tempo e atuadores saturantes.

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • FERNANDO DE OLIVEIRA SOUZA
  • LUIS FILIPE PEREIRA SILVA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 14/09/2022
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  • Neste trabalho são desenvolvidos métodos para a síntese de controladores por realimentação de estado para sistemas discretos e invariantes no tempo com atraso nos estados, atuadores saturantes e sujeitos a perturbações pertencentes à classe dos sinais de energia. Admite-se que o atraso seja variante no tempo e que as matrizes do modelo que descrevem o sistema pertençam a um politopo, cujo vetor de parâmetros seja incerto. A contribuição central da dissertação consiste na proposição de condições que podem prover a estabilização robusta local entrada-estado (ISS) da malha fechada para um conjunto de condições iniciais admissíveis e sinais de perturbação, limitados pela norma ℓ2. Essas condições avançam em relação a resultados encontrados na literatura, nos quais apenas a estabilização assintótica foi tratada. Para obter resultados menos conservadores, são utilizadas candidatas a funções de Lyapunov-Krasovskii (L-K) dependentes do parâmetro incerto. Além disso, as condições propostas para a síntese de controladores dependem do valor do atraso, porém sua complexidade não cresce com o aumento do valor do atraso. Para desenvolver esses métodos foram utilizadas a condição generalizada de setor, representando os atuadores saturantes como uma não linearidade do tipo zona-morta, a majoração de termos decorrentes dessas funções e o Lema de Finsler. Outra contribuição está nos procedimentos de otimização propostos que permitem melhores resultados na estimativa da região de atração, na tolerância a distúrbios e na minimização dos efeitos do distúrbio na saída do sistema. A ideia central nesses procedimentos de otimização consiste na reescrita da candidata a função de L-K em um espaço aumentado, permitindo que a abordagem atinja desempenhos comparáveis a de outras alternativas encontradas na literatura, mas com um custo computacional bem menor. Por fim, exemplos numéricos são apresentados para demonstrar a eficácia dos métodos propostos e estabelecer uma comparação com resultados existentes na literatura.


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  • In this work, methods are developed for the synthesis of state feedback controllers for discrete time-invariant systems with state-delay, saturating actuators and subject to disturbances that belong to the class of energy signals. It is assumed that the delay is time-varying and that the model matrices that describe the system belong to a polytope, whose parameter vector is uncertain. The central contribution of the dissertation consists in the proposition of conditions that can provide robust local input-to-state stability (ISS) of the closed loop for a set of admissible initial conditions and disturbance signals, limited by the ℓ2 norm. These conditions advance in relation to results found in the literature, that only asymptotic stabilization was treated. To obtain less conservative results, candidates for Lyapunov-Krasovskii (L-K) functions dependent on the uncertain parameter are used. Furthermore, the proposed conditions for the controller synthesis depend on the delay value, but their complexity does not increase with the increase of the delay value. To develop these methods, the generalized sector condition was used, representing the saturating actuators as a non-linearity of the dead-zone type, the majoration of terms resulting from these functions and the Finsler's Lemma. Another contribution is the proposed optimization procedures that allow better results in the estimation of the attraction region, in the disturbance tolerance and in the minimization of the disturbance effects on the system output. The central idea in these optimization procedures is rewriting the candidate L-K function in an augmentated space, allowing the approach to achieve performances comparable to other alternatives found in the literature, but with a much lower computational cost. Finally, numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed methods and establish a comparison with existing results in the literature.

6
  • GRACILENE MENDES MOTA
  • APLICAÇÃO DE MÉTODOS DE OTIMIZAÇÃO EVOLUTIVOS NA ALOCAÇÃO DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA PARA A MINIMIZAÇÃO DAS PERDAS

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • LUÍS HENRIQUE LOPES LIMA
  • MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • Data: 28/09/2022
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  • Esse trabalho apresenta um estudo para a redução das perdas em sistemas elétricos de potência. Tendo em vista esse objetivo e considerando a inserção cada vez maior de geração distribuída, é considerado o problema de alocação ótima dessas fontes. Dado um número especificado de gerações distribuídas com capacidade fixa, deseja-se definir em quais barras elas devem ser posicionadas de modo a minimizar as perdas do sistema. Trata-se de um problema de otimização inteira binária, onde as variáveis podem assumir apenas dois valores diferentes: 0 não instala na barra associada à variável, ou 1, instala. Para os estudos de caso, são considerados dois sistemas de subtransmissão: IEEE 14 barras e 30 barras, além da alocação de gerações distribuídas com capacidade de 1 MW. No sistema IEEE 30 barras, considerando a alocação em vinte e nove das trinta barras, existem mais de quinhentos milhões de combinações possíveis. Problemas de otimização combinatórios, com um número muito elevado de soluções, são difíceis de serem solucionados. Utilizou-se o programa computacional Matpower para possibilitar os cálculos e análises do fluxo de potência. A partir dos resultados obtidos, com as perdas de potência ativa das linhas de transmissão, foram avaliados métodos computacionais de otimização inteira binária para a melhor alocação possível da geração distribuída, a fim de se minimizar essas perdas. Foram comparados métodos de otimização não linear inteira binária, baseados nos algoritmos de enxame de partículas e no algoritmo evolução diferencial, para a determinação do método mais adequado para tratar o problema. Como resultado, obteve-se uma redução otimizada das perdas de potência ativa dos sistemas, para valores que dependem do limite de fontes de 1 MW, com baixo tempo computacional, mostrando a viabilidade da metodologia apresentada. Além disso, os resultados obtidos dos sistemas analisados foram comparados com resultados presentes na literatura especializada.


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  • This work presents a study for the reduction of losses in electrical power systems. In view of this objective and considering the increasing insertion of distributed generation, the problem of optimal allocation of these sources is considered. Given a specified number of generations distributed with fixed capacity, it is desired to define in which buses they should be positioned in order to minimize system losses. This is a binary integer optimization problem, where the variables can only take on two different values: 0 does not install to the bar associated with the variable, or 1 does. For the case studies, there are two subtransmission systems: IEEE14 buses and 30 buses considered, in addition to the allocation of distributed generations with a capacity of 1 MW. In the IEEE 30 bus system, considering the allocation in twenty-nine of the thirty buses, there are more than five hundred million possible combinations. Combinatorial optimization problems, with a very high number of solutions, are difficult to solve. The computer program Matpower was used to enable the calculations and analysis of the power flow. From the results obtained, with the active power losses of the transmission lines, computational methods of binary integer optimization were evaluated for the best possible allocation of the distributed generation, in order to minimize these losses. Binary integer nonlinear optimization methods, based on particle swarm algorithms and on the differential evolution algorithm, were compared to determine the most adequate method to deal with the problem. As a result, an optimized reduction of the active power losses of the systems was obtained, for values that depend on the limit of sources of 1 MW, with low computational time, showing the feasibility of the presented methodology. In addition, the results obtained from the analyzed systems were compared with results found in the specialized literature.

2021
Dissertações
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  • BRUNNO MONTEIRO GUIMARÃES RIBEIRO
  • Análise do Tempo Morto em Acionamentos com Terminais Centrais Abertos

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • CLODUALDO VENICIO DE SOUSA
  • Data: 14/01/2021
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  • 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.


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  • Open-end winding electrical machines with one solid-state converter connected to each end of the stator windings are being considered in recent researches for numerous applications including high-power AC drives. Due to the absence of the neutral point, this topology creates a path for zero-sequence current, which affects the operation of the machine. Although many strategies have been proposed to avoid the application of space vectors that generate common-mode voltage across the windings, zero-sequence current still flows due to nonidealities such as voltage drops in the solid-state switches and the dead time applied to avoid DC link shoot-through. This work presents the use of the double Fourier series adapted to extract symbolically the coefficients of the harmonic spectra of open-end winding loads with dual-inverter subjected to dead-time effect. This approach is used to assess the quality of the voltage synthesized by different modulators in open loop control and its impacts in the performance of high-power open-end winding induction motors.

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  • DENISE FONSECA PEREIRA
  • PROJETO DE CONTROLE BASEADO EM OBSERVADOR DE DISTÚRBIO COM USO DE OTIMIZAÇÃO EVOLUTIVA

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO STOCKLER TOGNETTI
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • SAMIR ANGELO MILANI MARTINS
  • Data: 21/01/2021
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  • 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.


  • Mostrar Abstract
  • The disturbance observer based control is a control tool applied in several industrial
    sectors, with the purpose of rejecting disturbances not measured in the process. Since
    its conception, several implementations have been shown to be efficient, both for systems
    represented in the time domain as well in the frequency domain. This work presents
    a study on this technique as well as its application. The application of the disturbance
    observer based control for systems with one input and one output, of minimum
    and non-minimum phase, consists of a well-established technique. For systems with
    multiple inputs and multiple outputs with time delay, there are two challenges that
    must be analyzed carefully. The first challenge is to calculate the inverse of the nominal
    model of the plant. The second challenge is the ideal synthesis of the disturbance
    observer filter to achieve a tradeoff between the rejection of disturbances and the attenuation
    of measurement noises. The proposal presented here is a strategy that uses
    equivalent transfer function to address the challenge of calculating the inverse of the
    nominal model of the plant that is compared with other strategies found in the literature.
    The equivalent transfer function approximates the inverse of a multivariable
    model by a matrix whose elements are the inverse of first order plus time delay transfer
    functions, which are simpler to deal with. In order to treat the ideal synthesis of the
    disturbance observer filter, a formulation based on a multi-objective optimization problem
    is proposed. Through a multi-objective evolutionary optimization algorithm, it
    is possible to obtain a set of efficient solutions with different tradeoffs between the two
    objectives. This same synthesis formulation was applied for the problem of systems
    with one input and one output in the frequency domain and to treat multivariable
    systems in the time domain. The technique is initially applied to a minimum phase
    problem represented in the frequency domain together with the synthesis of the PI
    controller. Subsequently, two examples of multiple input and multiple output systems
    with time delays represented in the frequency domain are treated. Finally, the technique
    is applied for two time domain systems. The results found show that the proposed
    strategies for synthesis of disturbance observer based control are effective. In the case
    of multivariable systems in the frequency domain, the proposed use of the equivalent
    transfer function, both for synthesis and for implementation, proved to be efficient,
    presenting better results than other existing techniques in the literature.

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  • PAULO ROBERTO COSTA DA SILVA
  • AVALIAÇÃO DE BUCHAS DE TRANSFORMADORES UTILIZANDO MÉTODOS SEM MALHA

  • Orientador : EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • RAPHAEL PAULO BRAGA POUBEL
  • Data: 25/01/2021
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  • 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).


  • Mostrar Abstract
  • The application of meshless methods is extremely promising in the field of engineering. The use of this numerical method to study and analyze the integrity of high voltage insulating bushings allows to obtain more accurate results of the electrical and physical conditions, assisting in the development of projects, as well as in the operational evaluation. In this context, this work aims to present a numerical and computational modeling based on the Galerkin Method Without Elements (EFGM) applied to the computation of electric fields on the insulating part of the high voltage bushings and their surroundings. The main characteristic of this method class is that it does not require a mesh of elements, thus differing from the traditional Finite Element Method, which allows it to easily work with varied geometries, allowing the displacement of the evaluation nodes to regions of interest. This method is normally used to solve partial differential equations, with increasing applications for calculations of electromagnetic fields, and for the development of electrical equipment. In this work, a hypothetical bushing was used, with computational development of its geometry with inclusions of failures to analyze the behavior of the electric field on the insulating part of the high voltage bushing, following the normalized specifications and in its critical operational conditions, in order to obtain information regarding the integrity of said high voltage bushing. The method (EFGM) has good convergence, and in several cases has better responses than consolidated methods such as the Finite Element Method (FEM).

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  • GABRIEL VILKN RAMOS
  • AVALIAÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM RETIFICADOR TRIFÁSICO DE TRÊS NÍVEIS DE BAIXO CUSTO COM CONTROLE DIGITAL POR HISTERESE.

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ADEMIR NIED
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Data: 25/02/2021
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  • Este trabalho apresenta um novo conceito de controle digital otimizado por histerese para retificadores ativos trifásicos de três níveis, voltado para aplicações na indústria de alta potência. A estratégia de chaveamento proposta é baseada na implementação digital de um controle por histerese trabalhando com baixas taxas de amostragem. A frequência de amostragem reduzida limita intencionalmente a frequência de chaveamento do conversor e reduz o stress sobre os semicondutores diminuindo os riscos de falhas do conversor, sem deterioração da qualidade da tensão e da corrente. A técnica também reduz a propagação e espalhamento do espectro harmônico do clássico controle de histerese de corrente. O sistema de controle é concebido para limitar a ondulação de corrente, tensões e perdas nas chaves através da escolha adequada da taxa de amostragem e um projeto apropriado dos indutores de entrada. Isso leva a um tamanho, peso e custos otimizados dos indutores de entrada. Além disso, o controle proposto é aplicado a um protótipo de retificador de três níveis de alta potência e baixo custo, que consiste em duas chaves semicondutoras ativas e quatro diodos de potência por fase. O conversor apresenta boa qualidade das formas de onda de tensão e corrente e junto com seu sistema de controle apresenta menores custos de manutenção e aquisição em aplicações de missão crítica. Simulações e experimentos mostram e confirmam as ideias propostas.


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  • This work presents a novel concept of an optimized digital hysteresis current control for three-phase three-level active rectifiers that are aimed to high power industry applications. The proposed switching strategy is based on a digital implementation of a hysteresis current control working with low sampling rates. The reduced sampling frequency intentionally limits the converter switching frequency and semiconductor stresses decreasing the risks of converter semiconductor failures, without deteriorations of the quality of voltage and current. It also reduces the spectral harmonic spreading of a classical hysteresis current control. The control system is conceived to limit the current ripple, stresses and losses in the power switches by an adequate choice of the sampling rate and an appropriate design of the input inductors. It leads to an optimized size, weight and costs of the input inductors. Furthermore, the proposed control is applied to a prototype of a high power and low cost three-level rectifier, which consists of two active semiconductor switches and four power diodes per phase. The converter shows good quality of voltage and current waveforms and along with its control system presents lower maintenance and acquisition costs in mission critical applications. Simulation and experiments support and confirm the proposed ideas.

     

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  • PAULO ROBERTO MATIAS JUNIOR
  • Optimum Design of Modular Multilevel Converters for Variable-Speed Electrical Drives

  • Orientador : ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • THALES ALEXANDRE CARVALHO MAIA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Data: 26/02/2021
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  • 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.


  • Mostrar Abstract
  • The modular multilevel converter (MMC) is an inherently fault-tolerant topology and an interesting option for medium voltage electrical drives, especially when quadratic loads are taken into account. In order to select the optimal blocking voltage for IGBTs, this work presents a design methodology and comparison of MMCs considering the necessary redundancy to achieve the reliability requirement. Designs using commercial IGBTs with blocking voltage in the range of 1.7 to 6.5 kV are compared. The selection is based on complexity, volume, silicon area and efficiency. The methodology application is exemplified through an industrial blower driven by a 13.8 kV - 16 MW three-phase induction motor. Measurements of the operating drive speed and ambient temperature of this process, which is part of a steel industry located in southeastern Brazil, is used as mission profile. The results show that the optimal class of IGBTs depends on the type of redundancy employed. In addition, despite the increase in complexity and the number of components, designs based on IGBTs with lower blocking voltage (1.7 and 3.3 kV) are proved to be more advantageous due to lower losses, converter volume and silicon area.

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  • FABIO DE ALMEIDA PONGELUPE
  • APLICAÇÃO DE MÓDULOS SEMICONDUTORES HÍBRIDOS EM ACIONAMENTOS ELÉTRICOS

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • TOMÁS PERPETUO CORRÊA
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • Data: 26/02/2021
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  • Módulos semicondutores híbridos consistem em soluções que reúnem chaves de silício e de algum material de larga banda proibida (do inglês, wide band gap (WBG)), proporcionando a obtenção de soluções com um melhor custo benefício. Estes módulos apresentam-se como uma alternativa de aumento de eficiência em relação ` as tecnologias de silício, por em com custo total agregado inferior aos módulos puros de WBG. Este artigo propõe uma metodologia de seleção de chaves para compor um par híbrido formado por um Si-IGBT e um SiC-MOSFET, os quais s ˜ ao 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 um custo inicial intermediário entre os demais módulos. Portanto, os pares híbridos selecionados foram avaliados como soluções de melhor relação custo-benefício considerando o perfil de operação da aplicação.


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  • Hybrid semiconductor modules consist of solutions that connect in parallel silicon IGBT with high speed switches of wide-bandgap (WBG) materials, providing high performance converters and better cost benefit ratio. These modules are presented as an alternative to increase efficiency in relation to silicon technologies, but with an aggregate total cost lower than the full WBG modules. Since it is a recent technology, the development of hybrid modules composed of Si-IGBT and SiC-MOSFET or GaN-HEMT is still restricted to research laboratories, which have made progress on the main challenges for making the technology feasible. Among the research topics, it is possible to highlight the requeriment of behavioral modeling for traditional power electronics simulation environments. Therefore, this work proposes a strategy to model a parallel connection of switches and diodes that, through look-up tables extracted from datasheets, allows a coupling between the electrical and thermal domains of the semiconductor devices. Based on this modeling, this work also proposes a device selection methodology to compose a hybrid pair formed by a Si-IGBT and a SiC-MOSFET, which are used to drive a 440 V and 300 HP induction motor. Among the solutions analyzed, two hybrid solutions with potential for loss reduction were chosen and compared to pure silicon and SiC solutions of the same rated current available on the market. The comparisons are made from an actual daily mission profile for the electric drive of an exhaust fan. The results showed a potential reduction in daily energy losses of 45 % in relation to the original silicon modules, in addition to presenting an area reduction for the SiC chip, which leads to lower cost solutions. Therefore, the selected hybrid pairs were obtained as the most cost-effective solutions considering the mission profile.

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  • JOÃO MARCUS SOARES CALLEGARI
  • Minimum Dc-Link Voltage Control Strategy for Efficiency and Reliability Improvement in Two-Stage Photovoltaic Inverters

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DEMERCIL DE SOUZA OLIVEIRA JÚNIOR
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • WESLEY PERES
  • Data: 16/04/2021
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  • Hoje em dia, os sistemas fotovoltaicos (FV) conectados à rede têm mostrado um crescimento notável na potência instalada global. A eletrônica de potência, por meio do inversor FV, desempenha um papel importante no que diz respeito à operação segura e eficiente dos sistemas solares, atuando como uma porta de entrada crítica entre o arranjo FV e a rede elétrica. Esforços recentes são impulsionados por uma demanda de reduções nos custos de manutenção e de tecnologia, principalmente por meio do aumento da eficiência e confiabilidade do inversor fotovoltaico. Diferentes topologias de circuitos, tecnologias de integração, componentes de hardware, estratégias de modulação e estratégias de controle estão sendo propostas ultimamente para atingir esses objetivos. Dentre as técnicas, a última pode ser considerada importante para direcionar o desenvolvimento de novas estratégias visando aumentar a atratividade dessa fonte de energia renovável. Por exemplo, estratégias baseadas na alteração de firmware podem reduzir os custos de manutenção sem exigir mudanças de hardware de inversores comercialmente disponíveis, além da fácil atualização dos inversores disponíveis atualmente. Por esse motivo, diversas estratégias baseadas em firmware são propostas na literatura para melhorar a confiabilidade e a eficiência do conversor. No entanto, poucas delas analisam o inversor programado com tensão do barramento cc adaptativa mínima. Tendo em vista os pontos acima mencionados, esta dissertação de mestrado propõe a operação com tensão do barramento cc mínima para melhoria da eficiência e confiabilidade dos inversores fotovoltaicos de dois estágios conectados à rede. O objetivo principal é calcular em tempo real a mínima tensão do barramento cc necessária para a transferência de energia entre o arranjo FV e a rede, buscando reduzir as perdas nos capacitores e dispositivos semicondutores. Além disso, expressões analíticas são desenvolvidas para avaliar o potencial de redução dos estresses de corrente e tensão nos componentes críticos à confiabilidade do conversor. A viabilidade dessa estratégia de controle é demonstrada por meio de resultados experimentais em regime permanente e durante variações da amplitude da rede e operação reativa indutiva/capacitiva do conversor. A eficiência e a confiabilidade são calculadas com base em um estudo de caso de um inversor fotovoltaico comercial de 3 kW, considerando perfis de campo de irradiância solar, temperatura ambiente e amplitude de tensão da rede de uma instalação no centro-oeste do Brasil. Os resultados indicam que a solução proposta leva a uma resposta dinâmica adequada, redução de perdas de energia, aumento da confiabilidade do sistema e é cada vez mais interessante com o aumento da frequência de chaveamento. Como nenhum hardware adicional é necessário para implementar a proposta, essa abordagem pode ser usada para melhorar a confiabilidade dos inversores fotovoltaicos atuais através de modificações simples no firmware dos sistemas FV já instalados.


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  • Nowadays, grid-connected photovoltaic (PV) systems have shown remarkable growth in global installed power. Power electronics, through the PV inverter, play an important role with regard to the safe and efficient operation of solar systems, acting as a critical gateway between PV array and the utility grid. Recent efforts are driven by a demand for reduction of technology and maintenance costs, mainly by increasing the inverter efficiency and reliability. Different circuit topologies, integration technologies, hardware components, modulation and control strategies are being proposed to achieve these goals. Among the techniques, the latter can be considered an important direction for the development of new strategies to increase the attractiveness of this renewable energy source. For instance, firmware-based strategies can reduce maintenance costs without requiring hardware changes of commercially available PV inverters and provide a straightforward retrofit of the current inverter technology. For this reason, several firmware-based strategies are proposed in the literature to improve converter reliability and efficiency. However, few of them analyze the inverter programmed with minimum adapted dc-link voltage. In view of the points aforementioned, this master thesis proposes the minimum dc-link voltage operation for efficiency and reliability improvement of two-stage grid-connected PV inverters. The main goal is to compute in real-time the minimum dc-link voltage required for power transfer, aiming at reducing losses on capacitors and semiconductor devices. Also, analytical expressions are developed to assess the potential reduction of current and voltage stresses in the converter reliability-critical components by the first time. The feasibility of this control strategy is demonstrated by experimental results in steady-state and during grid voltage amplitude variations and converter reactive inductive/capacitive operation. The efficiency and system-level reliability are computed based on a case study of a 3-kW commercial PV inverter, considering real-field mission profiles of solar irradiance, ambient temperature and grid voltage amplitude of an installation in the center-west of Brazil. The results indicate that the proposed solution leads to suitable dynamic response, reduced power losses (specially with the increase in the switching frequency) and increased system-level reliability. Since no additional hardware is required to implement the proposal, this approach can be used to improve the reliability of current PV inverter technology through simple modifications in the firmware of installed systems.

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  • DAYANE DO CARMO MENDONÇA
  • Proposal of Minimum Cell Operation Control for Efficiency Improvement in DSCC MMCC-based STATCOMs

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • PEDRO GOMES BARBOSA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Data: 16/04/2021
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  • O cenário atual dos sistemas elétricos de potência é caracterizado por estruturas complexas, presença de cargas não lineares e alta inserção de energias renováveis, como energia solar e eólica. Desta forma, o compensador síncrono estático (do inglês, Static synchronous Compensator | STATCOM) surge para regulação de tensão, controle de potência reativa e regulação de frequência nesses sistemas. Como os STATCOMs são dispositivos que operam em hot standby, ou seja, estão sempre conectados à rede, a eficiência do conversor é muito importante. Nesse cenário, as topologias de conversores modulares multiníveis em cascata (do inglês, Modular Multilevel Cascade Converter | MMCC) tem sido usadas para a realização do STATCOM devido à sua alta eficiência. Para melhorar ainda mais a eficiência do STATCOM, diferentes estratégias foram propostas na literatura. No entanto, a maioria das estratégias exigem modificações no hardware. Além disso, a maioria das propostas que não exigem modificação no hardware tem o potencial apenas de reduzir as perdas de comutação. No entanto, como o MMCC geralmente trabalha com frequências de comutação na faixa de 100 - 200 Hz, as perdas de condução predominam. De fato, poucas estratégias para reduzir as perdas de condução foram propostas na literatura. Esta dissertação de mestrado visa preencher esse vazio. Este trabalho propõe um controle de operação com número mínimo de células para reduzir as perdas de energia no STATCOM com base no MMCC. O princípio da técnica é desconectar células do MMCC, de acordo com a referência de potência reativa. Para isso, são derivadas expressões analíticas para a tensão mínima do barramento cc para manter a operação do conversor na região linear do modulador. Essas expressões são usadas para calcular o número de células que podem ser retiradas do conversor para determinadas condições de operação. Além disso, o potencial da estratégia proposta para redução de perdas de energia e as limitações da abordagem são investigadas. O desempenho dinâmico do esquema proposto é avaliado com base em simulações no PLECS de um STATCOM de 17 MVA e 13,8 kV. Por fim, foi realizado um estudo de economia de energia de um ano para um perfil de potência reativa real, que apresentou uma redução de 7,37 % nas perdas totais de energia. Os resultados indicaram que essa metodologia é uma solução inovadora para reduzir perdas de energia e custos operacionais. A técnica proposta pode ser aplicada em STATCOMs baseados em MMCC com mais de 10 células por braço e não requer hardware adicional.


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  • The current power systems scenario is characterized by complex structures, presence of nonlinear loads and high penetration of renewable energy such as solar and wind power plants. Then, the Static synchronous Compensator (STATCOM) emerges to perform voltage regulation, reactive power control and frequency regulation in these power systems. Since STATCOMs are hot standby devices, the converter efficiency is very important. In this scenario, modular multilevel cascade converter (MMCC) topologies have been used for STATCOM realization due to their high efficiency. To further improve the STATCOM efficiency, different strategies have been proposed in literature. However, most of the strategies require modification in the hardware. In addition, most proposals that do not require modification to the hardware have the potential only to reduce switching losses. Nevertheless, since MMCC usually employs switching frequencies in the range of 100 - 200 Hz, the conduction losses dominate. Indeed, few strategies to reduce conduction losses have been proposed in the literature. This Master Thesis aims to fill this void. This work proposes a minimum cell operation control to reduce power losses in STATCOM based on MMCC. The main principle is to bypass cells from the MMCC, according to the reactive power reference. For such, analytical expressions for the minimum dc-link voltage to keep the converter operation in the modulator linear region are derived. These expressions are used to compute the number of cells which can be bypassed for given operation conditions. Moreover, the potential of the proposed strategy for power losses reduction and the limitations of the proposed approach are investigated. The dynamic performance of the proposed scheme is evaluated based on simulations in PLECS of a 17 MVA, 13.8 kV STATCOM. Finally, an one-year energy saving study was conducted for a real reactive power profile, which presented a 7.37 % reduction in the total energy losses. The results indicated that this methodology is a breakthrough solution to reduce power losses and operational costs. The proposed technique can be applied in MMCC-based STATCOMs with more than 10 cells per arm and does not require additional hardware.

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  • THAMIRIS APARECIDA DOS SANTOS LOPES
  • Caracterizador de Módulos Fotovoltaicos Adaptativo a Condições de Sombreamento

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • VICTOR PELLANDA DARDENGO
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • Data: 23/04/2021
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  • A performance de um sistema fotovoltaico pode ser influenciada por diversos fatores, alguns naturais como sujidade, e outros de projeto como o sombreamento de módulos. Para verificar os impactos e a eficiência do módulo fotovoltaico sob os fatores citados, são utilizados equipamentos, conhecidos como analisadores ou caracterizadores de módulos, que visam diagnosticar e detectar possíveis falhas. Estes equipamentos são construídos de maneira a traçar as curvas características de um módulo fotovoltaico, e a análise destas, permitem avaliar o desempenho dos mesmos. Muitos destes analisadores são projetados para coletar os pontos utilizando uma única taxa de amostragem. Este trabalho propõe um caracterizador de curva de carga capacitiva, com frequência de coleta variável, dividindo a curva do módulo em regiões lineares e não lineares. Além disso, uma metodologia é proposta para detecção de sombreamentos parciais nos módulos e consequentemente um ajuste específico na frequência e quantidade de pontos coletados, dividindo assim a curva do módulo em mais regiões, proporcionais ao número de máximos locais. Os resultados mostram que o capacitor escolhido atende cerca de 92,17 % de uma amostra de 6002 módulos de diferentes tecnologias. Através de resultados de simulação verificou-se a necessidade de um ajuste do tempo para leitura completa dos pontos em casos de sombreamento não uniforme. Para o estudo de caso, um módulo de 330 Wp quando sombreado, teve o seu tempo de carga aumentado em 42,9 % quando em relação as condições normais de operação. Resultados experimentais preliminares para situações sem sombreamento validam a ideia proposta.


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  • The performance of a photovoltaic system can be influenced by multiple factors. Some as natural dirt, and others by project errors can cause shadowing in the modules. With the purpose to verify the impact and efficiency of the photovoltaic modules under the mentioned factors, usually are used equipment known as analyzers or characterizers of the modules, that aim to diagnose and detect possibles impact on the efficiency of the photovoltaic modules. This equipment is constructed in a manner to tracing the curves which are features of a photovoltaic module, and the analysis on them which permits to check its performance. Many of these analyzers are projected to collect the points using a single sampling rate. This work proposes an characterizer based on capacitive curve with variable collection frequency, splitting the curve of the module into the linear and nonlinear regions. Furthermore, it is proposed a methodology to detect partial shadows on the modules and, consequently, a specific adjustment on the frequency and quantity of collected points, thus dividing the curve of the modules into more regions, proportional to the maximum number of locations. The results have shown that the chosen capacitor answers for around 92,17 % from a sample of 6002 modules of different technologies. Through, the results from a simulation, it got verified the necessity of the adjustment of the time to a full reading of the points at the events of non-uniform shadowing. For the case study creased by 42.9 % when in relation to normal conditions of operation. The preliminary experimental results for situations without shadowing validate the proposed idea.

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  • MARCÍLIO QUEIRÓZ DE MELO
  • Operação em Regime Permanente de Linhas Aéreas de Transmissão Otimizadas

  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • AURÉLIO LUIZ MAGALHÃES COELHO
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • Data: 16/07/2021
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  • A análise operacional das Linhas Aéreas de Transmissão (LTs) recapacitadas permite dimensionar os seus aspectos qualitativos e técnicos. Este trabalho dedica-se a avaliar as condições operacionais, em regime permanente, de linhas recapacitadas por técnica LNPE – Linha de Transmissão de Potência Natural Elevada. As técnicas de recapacitação LNPE buscam alterar os parâmetros elétricos das linhas, tais como resistência, capacitância e indutância, objetivando o aumento da potência natural. Estas condições são obtidas por meio da otimização da posição dos condutores de fase. Para isso, três linhas aéreas de transmissão otimizadas, de diferentes níveis de tensão e configuração geométrica de condutores, são eletromagneticamente modeladas e comparadas às suas configurações reais e originais. O processo de modelagem parte do cálculo dos parâmetros elétricos das LTs, tais como impedância, capacitância e indutância, mediante suas características físicas e geométricas. De posse dos parâmetros elétricos das LTs é possível obter a potência natural destas linhas e simular diferentes modos de operação em regime permanente. As condições de operação a vazio, em curto-circuito e com carga das LTs recapacitadas são simuladas e comparadas às LTs originais. A vazio, o efeito Ferranti é atenuado em todos os níveis de tensão. Nos demais modos de operação, a corrente de curto-circuito e a queda percentual de tensão junto ao receptor são reduzidas. Os índices de desempenho e os parâmetros qualitativos das linhas, tais como os coeficientes de reflexão, o rendimento da transmissão, o consumo de reativo e a regulação de tensão são calculados para validação da avaliação de desempenho da técnica LPNE. De forma geral, as linhas LPNE apresentam ganhos operativos em regime permanente com consequentes vantagens econômicas.


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  • The operational analysis of the retraining Transmission Lines (TLs) makes it possible to measure their qualitative and technical aspects. This work dedicates to evaluate the lines rebuilt by HSIL - High Surge Impedance Loading technique in a permanent regime operation. The HSIL retraining techniques seek to change the electrical parameters of the lines, such as resistance, capacitance and inductance. These conditions are obtained by optimizing the position of the phase conductors. For this, three optimized overhead transmission lines, with different voltage levels and geometric configuration of conductors, are electromagnetically modeled and compared to their real and original configurations. The modeling process starts from the calculation of the electrical parameters of the TLs, such as impedance, capacitance and inductance, based on their physical and geometric characteristics. With the electrical parameters of the TLs, it is possible to obtain the surge impedance of these lines and simulate different operation modes in steady state. The empty, short-circuit and loaded operating conditions of the TLs retraining are simulated and compared to the TLs original. When empty, the Ferranti effect is attenuated at all voltage levels. In the other operating modes, the short-circuit current and the percentage voltage drop at the receiver are reduced. The performance indexes and the qualitative parameters of the lines, such as the reflection coefficients, the transmission efficiency, the reactive consumption and the voltage regulation are calculated to validate the performance evaluation of the HSIL technique. In general, the HSIL lines show operating gains on a permanent regime with consequent economic advantages.

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  • CAIO CÉSAR DE OLIVEIRA MENDES
  • Método PWM Otimizado para Inversores Flying Capacitor para Aplicações Aeronáuticas

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • PORFÍRIO CABALEIRO CORTIZO
  • BERNARDO COUGO FRANÇA
  • Data: 22/07/2021
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  • Visando à eletrificação de aeronaves e sua consequente redução na emissão de poluentes, o projeto EPOWERDRIVE, desenvolvido pelo Institut de Recherche Technologique Saint-Exupéry, um instituto francês de pesquisa, propôs uma topologia de conversor Flying Capacitor de 70 kVA utilizando dispositivos de Nitreto de Gálio (GaN), que atende aos requisitos de eficiência e emissões eletromagnéticas definidos pelas aplicações aeroespaciais. Com o intuito de dar continuidade a esse trabalho, em parceria com pesquisadores do EPOWERDRIVE e o CEFET-MG, foi desenvolvida uma metodologia para redução de peso do conversor proposto, por meio da aplicação de uma técnica de modulação otimizada. Uma rotina de otimização que gera uma modulante otimizada foi elaborada. Essa rotina se fundamenta na redução da ondulação de tensão dos capacitores flutuantes do conversor e na diminuição do pico da corrente dos indutores de saída. Tais componentes foram escolhidos como objetivo da otimização porque representam a maior parte do peso do conversor proposto. Foram desenvolvidas, também, formas de se estimar o peso de cada componente do conversor, para permitir a avaliação do impacto do novo método de modulação desenvolvido. Os resultados apresentados neste trabalho consideram tanto simulações quanto ensaios práticos. Foram avaliadas as influências de parâmetros como: índice de modulação, fator de potência, corrente de carga e frequências de comutação e fundamental. Apesar de os métodos otimizados FCPWM e ILPWM obterem, respectivamente, 6,4% e 5,2% de redução do peso total do conversor e 4,4% e 7,8% de redução das perdas em comparação com o método SPWM, para o ponto de operação nominal definido no trabalho, a técnica que apresentou o melhor resultado de densidade de potência (kW/kg), dentre os métodos PWM avaliados, foi a DPWM3, alcançando 8,94 kW/kg, que representa um aumento de quase 8% em relação à SPWM que obteve densidade igual à 8,23 kW/kg. Essa técnica ainda manteve alta eficiência energética (98,94%), sendo pouco abaixo daquela que se mostrou ser a mais eficiente nos testes realizados, a DPWM2, que obteve 98,98%. Os parâmetros variados ao longo dos testes apresentaram muita influência nos resultados e, por isso, a escolha da melhor técnica está condicionada ao ponto de operação e à aplicação desejada.


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  • Aiming at the electrification of aircraft and its consequent reduction in the greenhouse gases emissions, the EPOWERDRIVE project, developed by the Institut de Recherche Technologique Saint-Exupéry, a French research facility, proposed a 70 kVA Flying Capacitor converter topology using Gallium Nitride devices (GaN), which meets the requirements for efficiency and electromagnetic emissions defined by aerospace applications. In order to continue this work, in partnership with researchers from EPOWERDRIVE and CEFET-MG, a methodology for weight reduction of the proposed converter was developed, through the application of an optimized modulation technique. An optimization routine that generates an optimized modulant was elaborated. This routine is based on reducing the voltage ripple of the converter's flying capacitors and decreasing the peak current of the output inductors. Such components were chosen as an optimization objective because they represent the majority of the weight of the proposed converter. Some methods were also developed to estimate the weight of each component of the converter, to allow the assessment of the impact of the new modulation method. The results presented in this work consider both simulations and experimental tests. The influence of parameters such as modulation index, power factor, load current and switching and fundamental frequencies, were evaluated. Although the optimized methods FCPWM and ILPWM obtain, respectively, 6.4% and 5.2% reduction in the total weight of the converter and 4.4% and 7.8% reduction in losses compared to the SPWM method, for the nominal operating point defined in the work , the technique that presented the best result of power density (kW / kg), among the evaluated PWM methods, was DPWM3, reaching 8.94 kW / kg, that represents almost 8% increase in relation to SPWM, that achieved a density equal to 8.23 kW/kg. This technique still maintained high energy efficiency (98.94%), being slightly below what was shown to be the most efficient in the tests carried out, the DPWM2, which obtained 98.98%. The parameters varied throughout the tests had a lot of influence on the results and, therefore, the choice of the best technique is conditioned to the point of operation and the desired application.

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  • LUCAS SANTOS GONÇALVES
  • Controle robusto H-infinito por realimentação estática de saída combinando formulações LMI e otimização evolutiva

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • CRISTIANO MARCOS AGULHARI
  • Data: 17/09/2021
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  • Desigualdades matriciais lineares são uma ferramenta importante para lidar tanto com análise como síntese de sistemas de controle, especialmente para problemas incertos representados por modelos politópicos. Desigualdade matriciais lineares são aplicadas com sucesso para síntese de controladores por realimentação de estado. Por outro lado, controle robusto por realimentação estática ou dinâmica de saída são mais complicados de serem formulados como problemas de otimização convexos. Diferentes estratégias para obter formulações que utilizam desigualdades matriciais lineares para síntese de controladores por realimentação estática de saída requerem a busca de parâmetros específicos, escalares e/ou matrizes, que afetam o desempenho do controlador resultante ou até mesmo a existência de uma solução factível. Neste trabalho são propostos problemas de otimização para determinar estes parâmetros, com o objetivo de se obter a otimalidade para sistemas de controle robusto por realimentação estática de saída para sistemas lineares invariantes no tempo contínuo no tempo. Um algoritmo de otimização evolutivo é selecionado para obter a solução do problema proposto. São apresentados estudos de caso para demonstrar a vantagem de combinar otimização com as formulações LMI.


  • Mostrar Abstract
  • Linear matrix inequality formulations are an important tool to tackle analysis and synthesis of control systems, especially for uncertain systems represented by polytopic models. Linear matrix inequalities are successfully applied to robust state-feedback control synthesis. On the other hand, robust static or dynamic output-feedback control synthesis are more complicated to formulate as a convex optimization problem. Different strategies for obtainingLinear Matrix Inequalities formulations for static output-feedback control synthesis requires the calculation of specific parameters, scalar and/or matrix, which directly affect the performance of the resulting controller or even the existence of a feasible solution. In this work, optimization problems are proposed to determine these parameters, aiming to obtain the optimal robust static output-feedback control system for continuous-time time-invariant linear systems. An evolutionary optimization algorithm is selected to solve the proposed problem. It is presented case studies to demonstrate the advantage of combining optimization with LMI formulations.

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  • LUCAS ARANTES LEMOS OLIVEIRA
  • State feedback control for discrete-time LPV systems under magnitude and rate saturating actuators.

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • KEVIN GUELTON
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • LUIS FILIPE PEREIRA SILVA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 30/09/2021
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  • Neste trabalho, são apresentadas condições para a síntese de controladores dependentes de parâmetros via realimentação de estado que garantem a estabilidade local assintótica e de entrada-estado de sistemas discretos no tempo lineares com parâmetros variantes com atuadores saturantes em magnitude e taxa e sujeitos a distúrbios limitados de energia. Além disso, o sistema de malha fechada tem um desempenho de estabilidade exponencial garantido. Um modelo não linear de primeira ordem modela a saturação de magnitude e taxa dos atuadores. Portanto, as saturações do atuador são representadas em termos do tipo de não linearidade de zona morta, com a aplicação da condição de setor generalizada. As condições de projeto são propostas por meio de uma função candidata de Lyapunov dependente de parâmetro em termos de um conjunto finito de desigualdades matriciais lineares e fornecem a estabilização regional no sentido de estabilidade poliquadrática, permitindo uma estimativa da região das condições iniciais que resultam em trajetórias com convergência para a origem garantidas. Além disso, diferentes procedimentos de otimização convexa são formulados de acordo com o objetivo de controle. Por exemplo, é possível maximizar o conjunto de condições iniciais admissíveis, maximizar a tolerância às perturbações de energia, ou mesmo minimizar o ganho ℓ2 das perturbações admissíveis. Finalmente, exemplos numéricos são apresentados para demonstrar a eficiência dos métodos propostos, e um controle de nível não linear em tempo real ilustra suas potencialidades para aplicações práticas.


  • Mostrar Abstract
  • In this work, we propose new conditions for the synthesis of parameter-dependent state feedback controllers that guarantee the local asymptotic and input-to-state stability of linear parameter varying (LPV) discrete-time systems with magnitude and rate saturating actuators and subject to energy bounded disturbances. Moreover, the closed-loop system has an ensured exponential stability performance. A nonlinear first-order model models the magnitude and rate saturation of the actuators. Therefore, the saturations of the actuator are represented in terms of dead-zone nonlinearity type, with the application of the generalized sector condition. The design conditions are proposed through a parameter-dependent candidate Lyapunov function in terms of a finite set of linear matrix inequalities (LMIs) and provide regional stabilization in the sense of polyquadratic stability, allowing an estimate of the region of initial conditions yielding trajectories with guaranteed convergence to the origin. Additionally, different convex optimization procedures are formulated according to the control objective. For instance, it is possible to maximize the set of initial admissible conditions, maximize the energy disturbance tolerance, or even minimize the ℓ2-gain of the admissible perturbations. Finally, numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed methods, and a real-time nonlinear level control illustrates its potentialities for practical applications.

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  • JEAN LUCAN MARTINS VIEIRA
  • MODELAGEM ELETROMAGNÉTICA DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO 3D EM BAIXAS FREQUÊNCIAS UTILIZANDO O MÉTODO MESHLESS IEFGM

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 20/12/2021
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  • Este trabalho apresenta um estudo de sistemas de aterramentos submetidos a fenômenos de baixa frequência. O modelo eletromagnético do sistema de aterramento foi desenvolvido a partir das equações de Maxwell para uma configuração composta de uma haste vertical e de um cabo contrapeso. Foi realizado o desenvolvimento de uma modelagem matemática baseada na equação de Laplace. Esse modelo foi numericamente avaliado utilizando o método sem malhas Elementos Livres de Galerkin, que foi computacionalmente implementado em ambiente MATLAB. A solução numérica foi desenvolvida e aplicada em sistemas de aterramento em três dimensões. Foram avaliados os resultados de potencial elétrico no nível do solo e resistência para algumas configurações de sistemas de aterramento em baixas frequências de uma haste vertical enterrada em um solo homogêneo e heterogêneo. Foram também realizadas análises paramétricas para ajustar adequadamente os parâmetros de controle do método numérico sob investigação. Os resultados obtidos foram comparados com aqueles gerados a partir do Método dos Momentos. Por fim, foi implementada uma simulação de um cabo contrapeso inserido em um solo homogêneo. Os resultados foram comparados com uma abordagem analítica.

     


  • Mostrar Abstract
  • This work presents a study of grounding systems subjected to low frequency phenomena. The electromagnetic model of the grounding system was developed from Maxwell's equations for a configuration composed of a vertical rod and a counterweight cable. A mathematical modeling based on the Laplace equation was developed. This model was numerically evaluated using the Galerkin Free Elements meshless method, which was computationally implemented in MATLAB environment. The numerical solution was developed and applied to grounding systems in three dimensions. The results of electrical potential at ground level and resistance were evaluated for some configurations of grounding systems at low frequencies of a vertical rod buried in a homogeneous and heterogeneous soil. Parametric analyzes were also performed to properly adjust the control parameters of the numerical method under investigation. The results obtained were compared with those generated from the Method of Moments. Finally, a simulation of a counterweight cable inserted in a homogeneous soil is implemented. Results were compared with an analytical approach.

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  • KAMILA CRISTINA COSTA
  • Aplicação do Modelo do Líder Bidirecional em Análises de Sensibilidade de Parâmetros Associados ao Estudo da Atratividade do Solo e de Estruturas Aterradas

  • Orientador : MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Alberto Resende de Conti
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 21/12/2021
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  • Este trabalho aplica uma metodologia fisicamente consistente para avaliar a atratividade do solo plano e de estruturas aterradas, a partir da estimativa do raio de atração em função da carga transferida pela descarga de retorno, bem como em função da amplitude da corrente associada à descarga atmosférica. Essa metodologia é baseada em um modelo eletrostático de cargas em nuvens de tempestade, utilizado para determinar as condições de iniciação de um líder bipolar vertical que se desenvolve bidirecionalmente em direção ao solo, a partir da região do máximo campo elétrico no interior da nuvem. O líder é considerado um condutor elétrico perfeito, cujo potencial é igual ao potencial ambiente médio, associado às cargas da nuvem, ao longo de seu comprimento. O método de simulação de cargas é aplicado para calcular a distribuição de cargas do líder e as cargas induzidas na estrutura aterrada, quando existente, pela solução numérica da equação de Poisson. A partir desse método, também é possível estimar o potencial devido a essas cargas em qualquer ponto da região em análise. O raio de atração para o solo plano é computado quando o campo elétrico entre a extremidade do líder e o solo é igual a 500 kV/m. No caso da estrutura aterrada, o raio de atração é computado quando o líder ascendente é iniciado a partir do topo da estrutura, ou seja, quando o gradiente médio de potencial ao longo da zona de streamers emanados da estrutura é igual a 500 kV/m. Essa metodologia é estendida para análises de sensibilidade de parâmetros associados ao fenômeno – tais como o raio do canal de descarga, a altura da estrutura etc. – de forma a avaliar seu efeito na estimativa do raio de atração, uma vez que, devido à complexidade do processo de incidência de um raio, há muitas considerações acerca desses parâmetros nos estudos de atratividade relatados na literatura. Ademais, os resultados obtidos são comparados com modelos propostos por diferentes autores, a fim de avaliar quais considerações na metodologia deste estudo implicariam valores de raio de atração similares aos obtidos por outros modelos.


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  • This work applies a physically consistent method to assess the attractiveness of flat ground and grounded structures, from the estimation of the lightning striking distance as a function of the return stroke charge, as well as a function of the prospective return stroke peak current. This method is based on an axisymmetric electrostatic model of charges in thunderstorm clouds used to initiate a vertical bipolar leader that develops bidirectionally from the region of maximum electrical field inside the cloud towards the ground. The leader is assumed as a perfect conductor whose potential is equal to the average cloud potential, due to the cloud charges, over its length. The charge simulation method is applied to calculate the leader charge distribution and the induced charges on the grounded structure by the numerical solution of the Poisson equation. From this method, it is also possible to estimate the potential due to these charges at any point in the region under analysis. The striking distance to flat ground is computed when the average potential gradient between the leader tip and the ground is equal to 500 kV/m. In the case of the grounded structure, the striking distance is computed when the upward leader is incepted from the top of the structure, i.e., when the average potential gradient along the streamer zone emanating from the structure is equal to 500 kV/m. This methodology is extended to sensitivity analysis of parameters associated to the phenomenon – such as the leader radius, the height of the structure etc. – in order to evaluate their effect on striking distance estimation, since, due to the complexity of the lightning attachment process, there are many assumptions regarding these parameters in the attractiveness studies reported in literature. Furthermore, the obtained results are compared to the models proposed by different authors, to assess which considerations in the methodology of this work would imply striking distance values similar to those obtained from other models.

2020
Dissertações
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  • LARISSA SOARES FIGUEIREDO
  • CONTROLE DE SISTEMAS LPV DISCRETOS NO TEMPO SUJEITOS A ATUADORES SATURANTES

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CRISTIANO MARCOS AGULHARI
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 06/02/2020
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  • 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 admissı́veis. 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 nı́veis 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 sis- tema. A segunda condição garante uma taxa mı́nima de contratividade da função de Lyapunov por meio do ı́ndice 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 nı́vel 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.


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  • This paper investigates the problem of local stabilization for discrete time systems with time varying parameters, LPV (Linear Parameter Varying), and subject to saturating actuators. The saturation function is represented as a dead zone nonlinearity, implying the application of the generalized sector condition. Due to the limitation in the control signal it is necessary to characterize an estimate region of attraction in which any trajectory of states beginning within this region converge to the origin. Thus, convex conditions are proposed to design state feedback controllers that locally stabilize the closed loop system for a set of allowable initial conditions. The first conditions presented are based on Homogeneous Polynomially Parameters-Dependent (HPPD) Lyapunov functions. Thanks to a set of levels defined from an Lyapunov function, less conservative estimates of the region of attraction are obtained. Controller gains can assume rational structures in time-varying parameters, producing better estimates of the region of attraction as well as a broad set of stabilizable systems. The others conditions presented in this paper are based on polyquadratic functions, which is a particular case of homogeneous polynomial functions. Numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed methods. The first condition based on polyquadratic functions which allows to take into account the parametric dependency in the system model input matrix. The second condition guarantees a minimum contractility rate of the Lyapunov function through the adopted performance index which is λ-contractivity. A proportional integral structure is employed to ensure null tracking error for piecewise constant reference signals. Therefore, this proposal fits the design requirements of real LPV and quasi-LPV systems under saturating actuators. Experimental trials conducted on a second order nonlinear level control illustrate the potential of the proposed approach. In addition, tests indicate how the contractility rate affects the size of the estimated region of attraction. 

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  • RAKELANE APARECIDA MENDES
  • Transmissão de Energia sem Fio e Colheita de Energia Eletromagnética: Modelagem e Construção de Rectennas e Conversores DC-DC Autoalimentados

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 26/03/2020
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  • 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).


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  • This work presents a system of reusing wireless energy, called Rectenna, which is the junction of a rectifier circuit and an antenna. Also presented is the characterization of the SMA 3011 connector, which is used in the prototypes developed. The prototypes were made on the FR4 substrate, a method to determine the loss tangent and the electrical permittivity of this substrate is also presented. A series topology rectifier circuit has been chosen as it performs better when the input power is ultra low. The antenna chosen is resonant in the frequency bands Instrumentation, Scientific and Medical (ISM), Global System for Mobile Communication (GSM), Long Term Evolution (LTE). Three different rectenna configurations are presented: the first rectenna is resonant at the frequencies of 2,45 Ghz and 1,8 Ghz and the supplied voltage the charge is equal to 240 mV when the input power is equal to -15 dBm; the second rectenna is resonant at the frequency of 2,45 Ghz, this does not use SMA connectors and the supplied
    voltage is 340 mV, when the input power is equal to -15 dBm; the third rectenna is identical to the second rectenna, but uses SMA connectors. Taking into account that many devices require a higher supply voltage than the voltage supplied by the rectenna, this was coupled to a commercial DC-DC converter. To automate the power reuse system, a circuit called Under Voltage Lock-out (UVLO) was designed.

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  • VINICIUS MARINHO SILVA
  • Estudo, Modelagem e Controle de um Conversor Modular Multinível em Dupla Estrela com Células Meia Ponte Sob a Ação de Faltas

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • Marcos Antônio Severo Mendes
  • Data: 24/06/2020
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  • 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, SinusoidalPulse 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.


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  • Modular multilevel converters have become popular in the industry in several applications such as flexible AC transmission systems, static synchronous compensators, motor control, among others. Despite of the advantages of a modular and scalable design, this class of converters are vulnerable to sub-modules faults, which can cause loss to machinery and performance. Due to this, the present work approaches the modeling and control of a modular multilevel converter using Half Bridge cells under full and faulty conditions of 25%, 50% and 75% of the submodules of each phase. In these conditions, the aim is to obtain the maximum energy transfer at the output terminals with the minimum harmonic content in the current and line voltage waveforms when using an internal PI control technique and the method of SPWM modulation (Sinusoidal Pulse Width Modulation) with multiple carriers, thus designing an isolated system for medium voltage. Two methods are addressed to compensate for faults in the submodules of the proposed multilevel modular converter. One of the compensation methods is based on the energy redistribution of the resilient submodules and the other one is based on an adaptation of the neutral shifting technique. The fault compensation method based on the energy redistribution of the resilient submodules restores 100% of the effects of the faults in the converter in all proposed conditions, both for currents and output voltages. The method for compensating faults using neutral shifting technique has no effect on compensating faults in the currents and phase voltages of the load, but it compensates 100% for the effects of faults under line voltage when they occur by up to 50% of the total of sub-modules and restores by 90% the effects of the line voltage fault when they occur in 75% of the total of sub-modules. Computational simulations with mathematically obtained specifications were performed on the Matlab/Simulink platform to validate the results.

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  • FLÁVIA CORDEIRO MARTINS
  • Formulação multiobjetivo para síntese de observador proporcional integral.

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • CRISTIANO MARCOS AGULHARI
  • Data: 07/07/2020
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  • 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 e 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.


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  • This work presents a synthesis formulation of Proportional-Integral (PI) state observers for multivariable linear time-invariant systems (LTI). Considering a bi-objective formulation, the purpose of the project is to minimize the state estimation errors, when the system is subjected to non-measurable disturbances, and the attenuation of the measurement noise effect. The performance specifications of the project are quantified in terms of the and norms of the closed-loop system matrices. The main contribution of this work is characterized by the formulation of the synthesis of PI observers as a multiobjective optimization problem that allows, through any multiobjective optimization algorithm, the generation of a set of efficient solutions with different trade-off between minimization of the state estimation error in the presence of disturbances and minimization of the effect from measurement noises. This technique aims at guaranteeing the null estimation error on stationary state for LTI systems in continuous time. A second contribution of this work is to compare the PI observer with Luenberger's classic observer to verify if, despite the greater complexity of the PI observer design and implementations, the benefits justify its use. To solve the problem, a Multiobjective Differential Evolution algorithm is applied. The set of solutions found in the multiobjective optimization problem form the approximate Pareto Frontier, with the optimized variables being the elements that compose the observer's gain matrices. A multicriteria decision-making method based on a fuzzy approach was applied providing three efficient solutions to the decision maker. The efficiency of the proposed sinthesys is verified by illustrative examples for different system orders. The results presented indicate the efficiency of the developed formulation, considering that through the PI observer it is possible to obtain smaller estimation errors with smaller gains than the classical observer, and still minimize the effect of disturbance and measurement noise.

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  • VINICIUS LOPES DA SILVA
  • Projeto e Construção de um Conversor CC-CC Autônomo e Microcontrolado, que utiliza umaTécnica MPPT em Tempo Real para Colheita de Energia Ambiente Luminosa Indoor de Baixa Potência

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • TULIO CHARLES DE OLIVEIRA CARVALHO
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • Gláucio Lopes Ramos
  • Data: 10/07/2020
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  • A presente Dissertação tem por objetivo demonstraro desenvolvimento e construção de um conversor CC-CCpara colheita de energia ambienteluminosa indoor.O circuito desenvolvido possui a característica inovadora que permite aproveitar a energia luminosa artificial indoorde baixa potência. O conversorfoi criadopara trabalharcom tensão de entrada menor que 1 𝑉esem o uso de bateria auxiliar, ou seja, apenas a fonte de energia ambiente deve ser capaz de fornecer energia para eleeparaacarga ligada em sua saída.Para alcançar esse objetivo diversos circuitos foram selecionados, sendo eles o starter, flyback, circuito bloqueio de tensão, UVLO e um oscilador astável. Ao longo do presente trabalho há um detalhamento de cada circuito escolhido bem como das razões que nortearam sua escolha. Oconversorpossuicomo diferencialum microcontrolador de ultra baixa potência, quepossibilita a busca do pontode máxima transferência de potência da fonte, em tempo real, utilizando uma técnica MPPT.Dessa maneira, é possível,em tempo real, ajustar o conversor CC-CC à pequenas variações da fonteluminosapara que sempre extraia a máxima potência.Tudo isso com baixo consumo de energia, permitindoa construção de um conversor CC-CC microcontrolado e autônomo.


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  • The present Dissertation aims to demonstrate the development and construction of a DC-DC converter to harvesting energy ambient luminous indoor. The developed circuit it has the innovative characteristic that lets enjoy the low power indoor artificial light energy.The converter was created to work with input voltage less than 1 𝑉and without the use of an auxiliary battery, that is, only the ambient power source must be able to supply power to it and to the connected load at its output. To achieve this objective, several circuits were selected, including the starter, flyback, voltage lock circuit, UVLO and an oscillator. Throughout this work there is a detail of each chosen circuit as well as the reasons that guided its choice. The converter has as differential an ultra-low power microcontroller, that allows the search of the pointof maximum transfer of power of the source, in real time, using an MPPT technique. In this way, it is possible, in real time, to adjust the DC-DC converter to small variations in the light source so that it always extract the maximum power. All of this with low energy consumption, allowing the construction of a microcontrolled and autonomous DC-DC converter.

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  • DANIEL GUEDES PECHIR
  • Modelagem de Estruturas Cross-Rope para Estudo de Desempenho de Linhas de Transmissão Frente a Descargas Atmosféricas

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • IVAN JOSÉ DA SILVA LOPES
  • SANDRO DE CASTRO ASSIS
  • Data: 24/07/2020
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  • 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 NOS (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


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  • When it comes to the tower design of High Surge Impedance Loading Transmission Lines (HSIL TL), lightning performance is a critical issue. The estimated performance of the lines is usually obtained by means of software, such as the IEEE FLASH, whose calculation methods involve massive simplifications that provide non-realistic results in a great deal of situations. In this context, this thesis proposes a new methodology to calculate the lightning performance of a 500-kV HSIL Transmission Line composed mainly by Cross-Rope Guyed Towers. As far as the authors are concerned, this refined methodology is a novel approach for this kind of transmission towers. Overall, the work comprises a physically consistent modelling of the tower, which considers the surge impedances of the masts, guy wires and suspension cable. Moreover, the tower footing grounding system is modelled rigorously, according to the well-known wideband passive multiport model. The electromagnetic transients associated to lightning strikes to the line have been simulated in ATP/EMTP Platform. In addition, the effect of the operating voltage in 60 Hz has also been considered. The results showed that this specific line presents a lightning performance within the constraints imposed by the Brazilian regulatory agency, ONS (Operador Nacional do Sistema), once the adequate grounding system model is chosen. From the practical engineering point of view, this work presents a straightforward application perspective in the sense of choosing the most suitable length of the grounding system counterpoise wires, without oversizing them.

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  • Ícaro Veloso Soares
  • ANALYSIS OF RESONANT WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEMS WITH MAGNETIC METASURFACE LENSES

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • ÉLSON JOSÉ DA SILVA
  • Data: 10/08/2020
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  •    Das várias técnicas existentes para transferência de energia sem fio, uma das mais eficientes em termos de faixa de potência e distância é por ressonância magnética. Nesta técnica, as bobinas transmissora e receptora são acopladas indutivamente, e esse acoplamento é intensificado quando ambas estão sintonizadas na mesma
    frequência de ressonância. Uma maneira de aumentar a eficiência da transferência de energia e também de controlar a direção do campo magnético é utilizando lentes metamateriais ca- pazes de superar o limite de difração. Nestes materiais engenheirados, as propriedades eletromagnéticas efetivas são funções da composição
    química e do arranjo geométrico das células unitárias que os compõem.


       A análise da transferência de energia sem fio ressonante com lentes metamateriais é um problema complexo e computacionalmente dispendioso. Portanto, neste trabalho, uma abordagem alternativa para a análise qualitativa dessas estruturas é proposta aplicando a aproximação de fio fino e sua solução numérica através do Método dos Momentos. Além disso, a técnica de Óptica Transformacional é aplicada para determinar o perfil do índice de refração de uma lente metamaterial que conduz à desejada colimação de campo magnético.

      
       Dessa forma, diferentes lentes metassuperficiais magnéticas são projetadas e seu comportamento
    é verificado computacional e experimentalmente. Finalmente, sistemas de transferência de energia sem fio ressonante de duas e quatro bobinas são
    projetados, construídos e testados com e sem a inclusão de lentes metamateriais.


  • Mostrar Abstract
  •    From the various existing techniques to wirelessly transfer energy, one of the most efficient in terms of power and distance range is through magnetic resonance. In this technique, the transmitter and receiver coils are inductively coupled, and this coupling is intensified when both coils are tuned at the same resonant frequency. One way to enhance the power transfer efficiency and also to control the magnetic field direction is by applying metamaterial lenses which are able to overcome the diffraction limit. In this engineered material, the effective electromagnetic properties are functions of the chemical composition and geometrical arrangement of the unit
    cells that compose it.


       The analysis of a resonant wireless power transfer with metamaterial lenses is a complex and computationally costly problem. Therefore, in this work, an alternative approach for the qualitative analysis of these structures is proposed by applying the thin-wire approximation and its numerical solution through the Method of Moments.
    In addition, the Transformation Optics technique is applied to determine the refractive index profile of a metamaterial lens that leads to a desired magnetic field collimation.


       In this way, different magnetic metasurface lenses are designed, and their behaviour is computationally and experimentally verified. Finally, two-coil and four-coil resonant wireless power transfer systems are designed, built and tested with and without the inclusion of metamaterials lenses.

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  • LUCAS SOARES GUSMAN
  • Design for Reliability of Multifunctional PV Inverters used in Industrial Power Factor Regulation

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • WESLEY PERES
  • HÉLIO MARCOS ANDRÉ ANTUNES
  • Data: 05/11/2020
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  • 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).


  • Mostrar Abstract
  • Industrial consumers are widely known for their high demand for active and reactive power. Thus, these consumers have a great interest in the local generation using PV plants to reduce the energy bill. However, the traditional PV systems reduce the active power absorbed from the grid and, consequently, the installation power factor. Under such conditions, fees are being charged due to the low power factor value. This work carries out an overall study on the effects of the installation of a PV plant on the industrial power factor. Moreover, a benchmarking of traditional capacitor banks and the multifunctional PV inverter is performed. The case study of an industrial power plant located in Brazil is discussed. The results indicate that the traditional capacitor bank solution cannot correct the power factor all time due to its limited number of taps. Nevertheless, the multifunctional PV inverter can provide a precise reactive power compensation, which improves the power factor and reduces the additional fees. Finally, a PV system reliability reduction of 24.1 % is observed compared to the traditional operation, while inverter oversizing preserves the system reliability even if multifunctional operation is assumed.

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  • GLEYDE SIMONE DE CAIRES MONTEIRO
  • ACOPLAMENTO CIRCUITO-CAMPO EM SISTEMAS ELÉTRICOS UTILIZANDO O MÉTODO DE GALERKIN SEM ELEMENTOS - EFGM

  • Orientador : EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • RAPHAEL PAULO BRAGA POUBEL
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • Data: 30/11/2020
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  • 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).


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  • The use of numerical methods for the study and analysis of systems more complex energy transmission systems becoming more effective, obtaining results closer to those real conditions, due the technological development of computational systems. This research presents a numerical and computational modeling based on the Element-Free Galerkin Method (EFGM) evaluates and analyzes the magnetic fields , as well as the voltages and currents induced in the vicinity of electrical circuits and High Voltage Transmission Lines (TLs). The main characteristic of these methods is that they do not require a mesh , as it happens in the Finite Element Method, and is easier to work with different geometries, since the displacement of the nodes of the method for regions of interest is carried out with ease. There is only one set of nodes distributed in a region known as the problem domain. This method,is often used for solving partial differential equations. The time domain (TD) was used, which offers several benefits in electromagnetic problems, such as the transient field effect of an arbitrary time signal excitation, being that method EFGM is increasingly being used for eletromagnetic field computations and for modeling eletric devices. It has been shown that this method has a good convergence, sometimes better than that of the Finite Element Method (FEM).

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  • ÁLAN CRÍSTOFFER E SOUSA
  • Command Governor Supervisor Scheme Based On Region Of Attraction

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • WALTER LUCIA
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • MÁRCIO FANTINI MIRANDA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 07/12/2020
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  • 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.


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  • Physical 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.

     

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  • ALINE FRAGA SILVA
  • PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA A PARTIR DE REDES NEURAIS ARTIFICIAIS

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • LUÍS HENRIQUE LOPES LIMA
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 18/12/2020
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  • 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, sobre-excitação, 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.


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  • Differential protection is the most common protection philosophy applied to power transformers. However, the conventional algorithms present operational inefficiencies, causing incorrect trip of the relays in non-fault situations. In this context, aiming to improve the traditional technique, this work presents a differential protection algorithm for power transformers based on Artificial Neural Network. The electrical system studied is modeled and simulated on the Alternative Transient Program software. The protection scheme is proposed for a 100 MVA transformer. The simulated electromagnetic phenomena are inrush, sympathetic inrush, overexcitation, current transformers saturation, and external and internal faults in the protection zone. The database created contains 1,210 files, being 80% for training and 20% for neural network testing. The developed algorithm has a specific module for the identification and detection of each simulated event. This computational intelligence tool is implemented on the MATLAB® software. The proposed algorithm is also tested with an electrical system with an 18 MVA transformer. The obtained results show that the developed methodology presents superior performance when compared to conventional differential protection with harmonic restraint, proving to be a promising solution in this type of application.

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  • LUCAS SILVA PASSOS
  • ANÁLISE DE ELEVAÇÃO DE POTENCIAL RESULTANTE EM PARQUES EÓLICOS DEVIDO À INCIDÊNCIA DIRETA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS SIQUEIRA DE LIMA
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 22/12/2020
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  • 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 atmosférica 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 contribuam 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%.


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  • This master thesis is dedicated to the study of the ground potential rise in wind farms due to direct lightning strikes. The study is carried out by means of simulations using a hybrid approach, where the aerial elements are modelled using the distributed parameters transmission line theory and wind farm grounding system is modelled applying a method based directly on the field theory. Typical Brazilian conditions are considered in terms of electrical resistivity values and lightning current waves. According to the results, for currents representative of subsequent strokes in negative downward flashes or return strokes associated with negative upward flashes, the grounding systems of the wind turbines adjacent to the struck one do not contribute to reducing the peak value of the developed GPR, considering practical distances between turbines in a wind farm. In this case, only the interconnecting electrode, in addition to the grounding system of the struck wind turbine itself, contribute to the decrease of the GPR peak, and the length of this electrode that effectively contributes to such reduction increases with the increase of soil resistivity. In the case of first strokes in negative downward flashes, which are slower waves, the grounding systems of the adjacent towers might contribute to reducing the peak of the GPR, depending on the value of the soil resistivity and the distance between the wind turbines: the higher the resistivity and the lower the distance, the adjacent grounding systems are more likely to contribute to the GPR reduction. In general, the interconnection between the different grounding systems of the wind farm leads to a significant decrease of the low-frequency grounding resistance, but not of the impulsive impedance, seen by each turbine individually. Finally, it is shown that the representation of the aerial elements leads to an increase in the peak value of the GPR, especially for current waves with a lower front time, with increases of up to 30% being observed.

2019
Dissertações
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  • AUDINE SENA DE MIRANDA
  • Avaliação da Influência dos Modelos de Aterramentos e Linhas de Transmissão na Análise de Sobretensões em Linhas Aéreas Submetidas a Descargas Atmosféricas Diretas Utilizando Plataformas do Tipo ATP/EMTP.

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Alberto Resende de Conti
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • RODOLFO ANTÔNIO RIBEIRO DE MOURA
  • Data: 15/02/2019
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  • As descargas atmosféricas são a principal causa de desligamentos não programados em linhas de transmissão, em especial o fenômeno do backflashover. Com o intuito de mitigar os riscos associados a este fenômeno, é importante modelar os elementos do sistema de maneira consistente, em especial o aterramento de pé de torre e a linha de transmissão. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência do sistema de aterramento de pé de torre e da linha de transmissão nas sobretensões atmosféricas resultantes da incidência direta de descargas em linhas aéreas, utilizando plataformas do tipo ATP/ EMTP.

    Essas avaliações são conduzidas a partir de simulações no domínio do tempo e o impacto de cada representação é analisado em termos de sobretensões resultantes na cadeia de isoladores. São considerados os resultados associados às representações simplificadas do aterramento- resistência em baixas frequências e impedância impulsiva e os resultados decorrentes da representação rigorosa do comportamento dependente da frequência do aterramento. Adicionalmente, são avaliadas duas representações de linhas de transmissão: o consagrado J. Marti e o modelo nomeado neste trabalho como J. Marti modificado, que diferentemente do modelo J. Marti, contempla a variação dos parâmetros do solo com a frequência.

    De acordo com os resultados, a representação do aterramento impacta sensivelmente as sobretensões resultantes e a definição do valor crítico de corrente de descarga que irá provocar a ruptura do isolamento. Considerando a representação via impedância harmônica como referência, a impedância impulsiva conduz a valores de corrente crítica muito próximos à essa representação rigorosa e pode ser vista como uma boa opção para a modelagem do aterramento em linhas de transmissão para estudo de desempenho frente a descargas atmosféricas em plataforma do tipo ATP ⁄ EMTP.

    Ainda de acordo com os resultados, os modelos de linha apresentam menor influência nas sobretensões resultantes na cadeia de isoladores. Apenas em solos de alta resistividade o efeito da inclusão da dependência dos parâmetros elétricos do solo com a frequência no modelo J. Marti modificado acarreta em diferenças perceptíveis nas sobretensões desenvolvidas, especialmente quando se considera a incidência a meio vão.


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  • Lightning are the main cause of unscheduled outages in transmission lines, in particular the backflashover phenomenon. In order to mitigate the risks associated with this phenomenon, it is important to model the elements of the system in a consistent way, in particular the tower-footing grounding and the transmission line. Thus, the present work has the objective of evaluating the influence of the tower-footing grounding system and the transmission line in the atmospheric overvoltages resulting from the direct incidence of discharges in overhead lines, using ATP / EMTP platforms.

    These evaluations are carred out from simulations in the time domain and the impact of each representation is analyzed in terms of resulting overvoltages in the chain of insulators. The results associated with the simplified representations of grounding resistance at low frequencies and impulsive impedance are considered, as well as the results from the rigorous representation of the dependent behaviour of the grounding frequency. In addition, two representations of transmission lines are evaluated: the consecrated J. Marti and the model named in this work as modified Marti’s model that unlike the J. Marti, considers the variation of the parameters of the soil along with the frequency.

    According to the results, the grounding representation has a significant impact in the resulting overvoltages and in the definition of the critical value of the lightning current that will lead to a fashover. Considering the representation via harmonic impedance as reference, the impulsive impedance leads to critical current values very close to this rigorous representation and can be seen as a good option for the grounding modeling in transmission lines for the study of their performance in ATP/EMTP platform.

    Still according to the results, line models have less influence on the resulting overvoltages in the chain of insulators. Only in high resistivity soils the effect of including the dependence of the electrical parameters of the soil with the frequency in the modified Marti’s model leads to perceptible differences in the results overvoltages developed, especially when considering the midspan incidence.

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  • Gabriel Alves Ferreira Dias
  • Cálculo de Transitórios Eletromagnéticos em Linhas de Transmissão Aéreas Trifásicas: Uma Modelagem no Domínio das Fases Considerando a Dependência da Frequência dos Parâmetros Elétricos do Solo.

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Alberto Resende de Conti
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RODOLFO ANTÔNIO RIBEIRO DE MOURA
  • Data: 15/02/2019
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  • Este trabalho de dissertação analisa a influência da dependência da frequência da resistividade e permissividade elétricas do solo no cálculo de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão aéreas trifásicas. Uma modelagem da linha de transmissão diretamente no domínio das fases é proposta, a partir da representação da linha através de sua matriz de admitância nodal. Um modelo causal, desenvolvido a partir das Equações de Maxwell e medições realizadas em condições de campo, é utilizado no cálculo da resistividade e permissividade elétricas do solo em função da frequência. Simulações de transitórios eletromagnéticos em linhas de transmissão com configurações de circuito simples e de circuito duplo são realizadas, considerando a injeção de correntes com formas de onda com conteúdo de frequências típico de descargas atmosféricas. Os resultados gerados mostram que a consideração da dependência da frequência dos parâmetros elétricos do solo no cálculo de transitórios eletromagnéticos em linhas aéreas trifásicas é relevante, mesmo considerando solos de resistividade moderada.


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  • This work assesses the effect of the frequency dependence of the electrical parameters of soil, namely the electrical permittivity and resistivity, on the analysis of electromagnetic transients on overhead three phase transmission lines. An overhead transmission line model in the phase domain is proposed, based on the representation of the transmission line by its nodal admittance matrix. A causal model, based on the Maxwell’s Equations and field measurements, calculates the electrical resistivity and permittivity of soil in function of frequency. Simulations of electromagnetic transients on overhead transmission lines of single and double circuit are performed, considering the injection of signals with frequency content of typical lightning currents. The results show that it is important to consider the frequency dependence of the electrical parameters of soil in the analysis of electromagnetic transients on overhead transmission lines, even for soils of moderate values of resistivity.

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  • NOVACK HENRIQUE GARCIA SILVA
  • Avaliação da Proteção Diferencial de Transformadores de Potência a Partir da Transformada Wavelet

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • LUÍS HENRIQUE LOPES LIMA
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 28/02/2019
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  • Os transformadores de potência são equipamentos imprescindíveis ao suprimento de energia elétrica, cujo reparo ou substituição implica maior tempo de interrupção, custos diretos e indiretos. O alto custo deste equipamento, aliado à sua importância para o sistema elétrico, requer uma atenção especial quanto à sua operação, proteção e manutenção. É essencial que as concessionárias de energia elétrica invistam em sistemas de proteção que garantam ao sistema elétrico segurança, confiabilidade e maior qualidade de serviço. A principal metodologia adotada para proteção dos transformadores de potência corresponde à proteção diferencial,
    utilizando tradicionalmente a estimação de fasores de frequência fundamental, por meio dos quais se calculam as correntes de operação e restrição. A partir de um plano operacional, com regiões de atuação e bloqueio, tem-se a atuação ou não do relé. Para discriminar faltas e condições de energização, normalmente utiliza-se a análise harmônica pela transformada de Fourier. Apesar da grande aplicabilidade da proteção diferencial utilizando a ferramenta proposta por Fourier, o relé diferencial pode ser sensibilizado por eventos transitórios em que não se deseja que a proteção isole o sistema. A principal limitação do método de Fourier consiste no fato de não apresentar a capacidade de analisar as correntes diferenciais de operação e restrição em tempo-frequência. O presente trabalho, portanto, propõe a utilização da transformada
    wavelet cuja característica principal consiste em analisar sinais tanto no domínio do tempo como no domínio da frequência. A metodologia para aprimorar o desempenho da proteção diferencial em transformadores de potência corresponde em decompor o sinal de
    análise em coeficientes de aproximação e de detalhe a partir da técnica de análise de multiresolução (AMR) da transformada
    wavelet e, por meio da variação de energia espectral dos coeficientes, propor uma lógica operacional para discriminar faltas internas de outros eventos. A eficácia do algoritmo é atestada a partir da submissão do algoritmo a um conjunto de simulações obtidas de sistema elétrico modelado no software ATPDraw com elementos suficientes para reproduzir os efeitos dos transitórios eletromagnéticos no transformador de potência.


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  • Power transformers are essential equipment for the supply of electrical energy, whose repair or replacement implies longer interruption time, direct and indirect costs. The high cost of this equipment and its importance for the electrical system requires special attention to its operation, protection and maintenance. It is essential that electric power companies invest in protection systems that guarantee safety, reliability and higher quality of service to the electrical system. The main methodology adopted for the protection of power transformers corresponds to the differential protection, using traditionally the estimation of fundamental frequency phasors to
    calculate the operating and restriction currents. From an operational plan, the operation of the relay is mapped in regions of actuation and blocking (normal operation). In order to discriminate faults and energization conditions, the harmonic analysis by the Fourier transform is normally used. Despite the great applicability of the differential protection using the tool proposed by Fourier, the differential relay can be sensitized by transient events in which the protection is not desired to isolate the system. The main limitation of the Fourier method
    consists in the inability to analyze the differential currents of operation and restriction in timefrequency. The present work, therefore, proposes the use of the wavelet transform whose main characteristic is to analyze signals in both the time domain and the frequency domain. From the multi-resolution analysis technique (MRA) of the wavelet transform, the analysis signal is decomposed into approximation and detail coefficients and, through the spectral energy variation of the coefficients, an operational logic is proposed to discriminate faults other events. The efficiency of the algorithm is attested from the submission of the algorithm to a set of
    simulations obtained from the electrical system modeled in the ATPDraw software with enough elements to reproduce the effects of the electromagnetic transients in the power transformer.


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  • Paula Carvalho Resende
  • Abordagem Multicritério na Otimização de Linhas Aéreas de Transmissão

  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ADRIANO CHAVES LISBOA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 26/04/2019
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  • A otimização de problemas reais envolve cada vez mais variáveis, objetivos conflitantes a serem alcançados e restrições. Com o aumento desses parâmetros há um aumento nos conjuntos de soluções eficientes para a solução do problema. Nos problemas de linhas de transmissão não seria diferente. Com o aumento da demanda de energia elétrica, os estudos das técnicas que melhorem o desempenho da linha e a capacidade de transmissão estão em evidência. Dentro desse contexto, as técnicas de recapacitação não convencionais tem como objetivo maximizar a potência natural das linhas por meio da adequação dos seus parâmetros elétricos. Essa adequação é obtida pela otimização da configuração geométrica dos condutores da linha de transmissão. Contudo, devido ao número de variáveis e objetivos a serem alcançados, o resultado final dessa otimização se dá por um conjunto de soluções não-dominadas. Assim, introduz-se o problema da decisão, ou seja, escolher entre várias soluções ótimas aquela que for mais satisfatória considerando as preferências do decisor. Dessa forma, esse trabalho propõe uma metodologia e ferramenta computacional que busca maximizar a potência natural e minimizar os campos elétrico e magnético ao nível do solo, sem violar as restrições geométricas e elétricas impostas pelo problema. Para isso, utiliza-se a estratégia populacional do algoritmo de Evolução Diferencial para obter o conjunto de soluções ótimas pertencentes à fronteira Pareto-ótima. Para auxiliar o decisor na escolha de uma única solução final, que satisfaça suas preferências, aplica-se os métodos de tomada de decisão, um pertencente à Escola Americana, SMARTS; e outro da Escola Francesa, PROMETHEE II. Todos os resultados obtidos por ambos métodos de decisão na escolha da solução final da otimização multiobjetivo de LTs foram eficientes, contudo, o PROMETHEE II representa melhor as preferências do decisor, mas necessita de um custo computacional maior.


  • Mostrar Abstract
  • The real problems optimization may involve variables, conflicting objectives to be achieved and constraints. Like in any areas, in the transmission line the growing in the number of parameters leads to an increase in the set of efficient solution for the problem. Due to the growing up demand for electricity, studies of techniques that can improve the transmission line performance and capacity are in evidence. Within this context, the non conventional techniques aim to maximize the natural power of the lines by varying its electrical parameters. This suitability is obtained by optimizing the geometric configuration of the transmission line conductors. Thus, it proposes a methodology and computational tool that seeks to maximize natural power and minimize electric and magnetic fields at ground level, without violating the geometric and electrical constraints imposed by the problem. For this, the population strategy of the Differential Evolution algorithm is used to obtain the set of optimal solutions belonging to the Pareto-optimal frontier. As the number of variables are big, the problem of choose the solution that satisfy the preferences of the decision maker among the several optimal solutions is introduced. To assist the decision maker in choosing a single final solution that satisfies its preferences, the decision-making methods, one belonging to the American School, SMARTS; and another from the French School, PROMETHEE II are investigated. All the results obtained by both decision methods in the choice of the final solution of the multiobjective optimization of transmission lines achieve good results, however the PROMETHEE II represents better the preferences of the decision maker.

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  • Danielle Silva Gontijo
  • SÍNTESE DE CONTROLE ROBUSTO H1 DE SISTEMAS EM TEMPO DISCRETO LINEARES INVARIANTES NO TEMPO COM DEPENDÊNCIA POLINOMIAL DE PARÂMETROS BASEADA NO ALGORITMO EVOLUÇÃO DIFERENCIAL

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • FERNANDO DE OLIVEIRA SOUZA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 02/05/2019
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  • Esta dissertação trata da síntese de controle robusto H1 por realimentação de saída estática ou dinâmica para sistemas lineares invariantes no tempo em tempo discreto, dependentes de parâmetros. A síntese de controle robusto é um problema de difícil solução, pois requer resolver um problema de otimização semi-infinita, ou seja, encontrar um controlador ótimo que minimiza o pior caso do desempenho e garante a estabilidade do sistema para o domínio infinito de incertezas. A combinação de modelos politópicos e formulações baseadas em desigualdades matriciais lineares para análise e síntese de sistemas de controle robusto é muito popular, uma vez que é possível transformar o problema de difícil solução em um problema mais simples, verificando apenas os vértices do politopo. Entretanto, existem restrições sobre os problemas que podem solucionar, o custo computacional pode aumentar rapidamente com o número de vértices do politopo, tornando o procedimento computacionalmente inviável, e em alguns casos não é possível encontrar a melhor solução ou até mesmo um controlador robustamente estável. Nesta dissertação é aplicada uma estratégia diferente da usual para resolver o problema de otimização semi-infinita considerando um procedimento iterativo de duas etapas, síntese e análise, em que cada etapa possui problemas de otimização mais fáceis de serem resolvidos. Em ambas as etapas, síntese e análise, é utilizado o método evolução diferencial, um algoritmo de otimização evolutivo de simples implementação, com poucos parâmetros de ajuste, possibilitando encontrar soluções eficientes para vários problemas de otimização, abrangendo problemas multimodais. O procedimento apresentado pode ser aplicado a qualquer tipo de problema de controle considerando controladores com qualquer estrutura e ordem. São apresentados exemplos ilustrativos aplicando o procedimento proposto e outros utilizados na literatura a fim de comparação, em que o método apresentado resulta em melhores soluções em alguns dos exemplos, sendo o único método que pode fornecer um controlador robustamente estável para o último exemplo, considerando os métodos disponíveis na literatura até o presente momento, comprovando a eficiência do procedimento de síntese de controle robusto.


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  • This dissertation deals with the robust H ∞ control synthesis by static or dynamic output feedback for time-invariant linear systems, discrete time, with dependency on parameters. The robust control synthesis is problem of difficult solution, since it requires solving a semi-infinite optimization problem, that is, finding an optimal controller that minimizes the worst case performance and guarantees the stability of the system for the infinite domain of uncertainty. The combination of polytopic models and formulations based on linear matrix inequalities for analysis and synthesis of robust control systems is very popular, since it is possible to transform the problem of difficult solution into a simpler problem, verifying only the vertices of the polytope. However, there are restrictions on the type of problems that can solve, the computational cost can increase quickly with the number of vertices of the polytope, making the procedure computationally infeasible, and, in some cases, it is not possible to find the best solution or even a controller robustly stable. In this dissertation, it is proposed to apply a strategy different from usual to solve the problem of semi-infinite optimization considering an iterative two-step procedure, synthesis and analysis, in which each stage has problems of optimization easier to be solved. In both steps, synthesis and analysis, the differential evolution method is used, an evolutionary optimization algorithm of simple implementation, with few adjustment parameters, making it possible to find efficient solutions for various optimization problems, covering multimodal problems. The presented procedure can be applied to any type of control problem considering controllers with any structure and order. Illustrative examples will be presented applying the proposed procedure and others used in the literature for comparison, where in the presented method results in better solutions in some of the examples, the only method being able to provide a robustly stable controller for the latter example considering the methods available in the literature up to the present moment, proving the efficiency of the robust control synthesis procedure.

     

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  • RODRIGO CÁSSIO DE BARROS
  • Lifetime Evaluation of Multifunctional Single-Phase PV Inverter During Harmonic Current Compensation.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • WALLACE DO COUTO BOAVENTURA
  • Data: 03/05/2019
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  • A qualidade da energia da rede elétrica do ponto de vista de poluição harmônica a está sendo comprometida nas últimas décadas devido ao aumento das unidades de microgeração distribuída e das cargas não lineares conectadas à rede. Neste contexto, inversores fotovoltaicos (FV) multifuncionais têm sido descritos como uma plausível solução para a melhoria na qualidade de energia. A ideia principal é usar o inversor FV para serviços auxiliares, como compensação de corrente harmônica.

    Portanto, é necessário verificar o quanto esta extra funcionalidade pode afetar a vida útil do inversor fotovoltaico. No entanto, essa tarefa não é simples, uma vez que a corrente do inversor apresenta diferentes comportamentos dependendo da componente harmônica que está sendo compensada. Além disso, com a metodologia atualmente disponível na literatura, a estimativa do consumo de vida útil do inversor FV seria complexa, uma vez que se considera apenas a injeção da componente fundamental da corrente na rede elétrica. Assim, este trabalho propõe uma metodologia de estimativa de vida útil, que considera o efeito de qualquer componente harmônica durante o processo de compensação.

    Além disso, as perdas de condução e chaveamento de um IGBT durante o processo de compensação de corrente harmônica é modelado neste trabalho. A estimativa de vida útil é realizada considerando-se um inversor FV de 5kW, no qual observou-se a dependência da mesma em relação à componente harmônica, à corrente fundamental, à ordem harmônica e ao ângulo de fase.


  • Mostrar Abstract
  • The grid power quality has been compromised in recent decades due to the increasing of nonlinear load and distribution generation units connected to the power system. In this scenario, multifunctional Photovoltaic (PV) inverters have been described as a suitable power quality solution. The basic idea is using the PV inverter for ancillary services, such as the harmonic current compensation.

    Therefore, it is necessary to verify how much this extra functionality can affect the lifetime of the PV inverter. However, this task is not straightforward, since the inverter current presents different behaviors depending on the compensated harmonic component. In addition, with the methodology currently available in the literature, the lifetime consumption of the PV inverter would be complex, since it considers only the injection of fundamental current into the grid. Thus, this work proposes a lifetime consumption methodology, which considers the effect of any harmonic component on the lifetime consumption during the harmonic current compensation process.

    In addition, the conduction and switching power losses of an IGBT during the harmonic compensation process is modeled in this work. Furthermore, the lifetime evaluation is carried out considering a 5kW PV inverter and it is concluded that its lifetime consumption depends on the relationship between the harmonic component, the fundamental current, the harmonic order and phase angle.

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  • Silas Martins Sousa
  • Controle de conversor c.c./c.c. SEPIC em Modo Corrente Aplicado ao Inversor Fotovoltaico Trifásico Conectado à Rede Elétrica.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • GIOVANI GUIMARAES RODRIGUES
  • SELEME ISAAC SELEME JUNIOR
  • Data: 24/05/2019
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  • Os conversores c.c./c.c. são utilizados em várias aplicações industriais e residenciais. Uma dessas aplicações é em inversores de sistemas fotovoltaicos. O conversor c.c./c.c. converte a tensão do string fotovoltaico ao nível de tensão desejado no estágio c.c./c.a. do inversor. Para isso são utilizados, usualmente, conversores elevadores de tensão. A proposta deste trabalho é analisar a utilização do conversor c.c./c.c. elevador-abaixador da topologia SEPIC, bem como desenvolver sua modelagem e o projeto do controlador em modo corrente. O objetivo de se utilizar o controle em modo corrente é eliminar o capacitor de interface com o string fotovoltaico. Como o conversor SEPIC é de quarta ordem (quatro elementos armazenadores de energia) seu projeto de controle pode significar um problema devido à sua complexidade. A metodologia do projeto de controle proposta neste trabalho utiliza a condição de módulo do método do lugar das raízes. Os algoritmos Seguidor de Máxima Potência (SMP) são utilizados para extrair a máxima potência em sistemas fotovoltaicos. Os algoritmos SMP tradicionais são eficientes para controle em modo tensão porém, devido ao problema de saturação de corrente frente à queda de irradiância solar, perdem a eficiência. O SMP proposto neste trabalho controla a corrente do painel fotovoltaico e atua no problema de saturação de corrente para elevar a eficiência do sistema. Os resultados simulados para um conversor trifásico de 1,6 kVA mostraram a eficiência dinâmica do SMP proposto.


  • Mostrar Abstract
  • DC-DC converters are used in various industrial and residential applications. One of them is in inverters of photovoltaic systems. The DC-DC converter is used to control the voltage of the photovoltaic string to a desired voltage level on DC-AC converter. Generally, it is used a boost step-up converter. The purpose of this work is to analyze the use of a DC-DC up-down converter of SEPIC topology, as well as to develop its modeling and control design in current mode. The purpose of using the current mode control is to eliminate the photovoltaic panel interface capacitor. The SEPIC is a fourth-order converter (four-element energy storage) and it's control design can be complex. The design control methodology presented in this work uses the module condition of the root locus method. Maximum Power Point Tracker (MPPT) algorithms are used to extract maximum power of photovoltaic systems. MPPT algorithms are effcient for voltage-mode control, however because of the current saturation problem in the face of falling solar irradiance, they lose efficiency. The MPPT proposed in this work controls the photovoltaic panel current and acts on current saturation problem to increase the efficiency of the system. The simulated results for a tree-phase 1.6 kVA showed the proposed MPPT dynamic e efficiency.

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  • Jean César Fagundes Castro
  • Implementação do Método FDTD Paralelizado em Geometrias Cilíndricas com o uso da Excitação Radial

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • GUSTAVO CAMPOS MENEZES
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 27/06/2019
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  • Visando a implementação da paralelização, elaborou-se um código de FDTD em linguagem C++ utilizando a API OpenMP. O código elaborado, além de implementar a paralelização, possui uma estrutura que permite a fácil inserção de geometrias complexas, diferentes tipos de excitação, cálculo durante e após as iterações temporais e mudança do tipo de fronteira absorvente sem alterar as que já estão implementadas. Isso se deve à utilização dos conceitos de herança, polimorfismo e encapsulamento da orientação à objeto.

    Com o programa desenvolvido, consegue-se realizar diversas análises sem a necessidade de recompilar o código, alterando-se apenas os dados de entrada. Com essa ferramenta, foi feita a análise de geometrias complexas e avaliação e implementação de uma excitação proposta: a excitação radial.

    A excitação radial possui a característica de inserir, já no plano de excitação, uma onda TEM. Utilizando essa excitação, extingue-se os modos espúrios na simulação, há a rápida conformação da onda na simulação e redução do espaço de simulação. Para comprovação da excitação e a versatilidade do código, implementou-se diferentes formas de cálculo de potencial e corrente elétricos. A partir dessas formas de cálculo foram realizadas comparações entre diferentes caminhos para cálculo do potencial e corrente elétricos, apresentando-se diversos resultados e a devida comparação entres as formas de cálculos.

     


  • Mostrar Abstract
  • In order to implement parallelization, a FDTD code with C++ language was developed using the OpenMP API. The code developed, besides implementing the parallelization, has a structure that allows the easy insertion of complex geometries, different types of excitation, calculation during and after the simulation time and the possibility to change the type of absorbent boundary without changing those already implemented. This is due to the use of the concepts of object orientation: inheritance, polymorphism and encapsulation.

    With the program developed, it was possible to perform several analyzes without the need to recompile the code. To do each simulation it was needed only to change the input data. With this tool, it was possible to do the analysis of complex geometries and evaluation and implementation of a proposed excitation: radial excitation.

    The radial excitation has the characteristic of inserting a TEM wave in the plane of excitation. There are some advantages with this excitation: the spurious modes are extinguished in the simulation, there is the rapid conformation of the wave in the simulation and reduction of the simulation space. In order to prove the excitation and the versatility of the code, different ways of calculating electric potential and current were implemented. Comparisons were made between different paths for the calculation of electric potential and current.

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  • RENATA OLIVEIRA DE SOUSA
  • Energy Storage Requirements and Wear-out of MMCC based STATCOM: The Role of the Modulation Strategy.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • SELEME ISAAC SELEME JUNIOR
  • Data: 28/06/2019
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  • Os sistemas de distribui¸c˜ao e transmiss˜ao possuem uma enorme variedade de cargas. No
    entanto, a maioria dessas cargas ´e n˜ao-resistiva ou flutuante. Essas cargas podem gerar
    varia¸c˜oes de tens˜ao que afetam a opera¸c˜ao e a eficiˆencia dos sistemas. Para minimizar esses
    problemas, a compensa¸c˜ao de potˆencia reativa ´e indicada. Neste contexto, o Compensador
    S´ıncrono Est´atico (STATCOM, do inglˆes
    Static Synchronous Compensator) tem sido
    amplamente utilizado. O principal desafio no projeto de STATCOMs de m´edia e alta
    tens˜ao ´e definir uma topologia de conversor que deve atingir n´ıveis altos de potˆencia e tens˜ao
    com chaves semicondutoras padr˜ao. Neste contexto, a topologia
    Double-Star Chopper Cell
    (DSCC), da fam´ılia de Conversores Modulares Multin´ıveis em Cascata, provou ser uma
    op¸c˜ao atraente para aplica¸c˜oes STATCOM de m´edia e alta tens˜ao. No entanto, a topologia
    DSCC apresenta alguns desafios relacionados a estrat´egias de modula¸c˜ao, requisitos de
    armazenamento de energia e confiabilidade. Em rela¸c˜ao ao requisito de armazenamento
    de energia, a literatura considera no projeto as tens˜oes dos capacitores balanceadas. No
    entanto, dependendo da estrat´egia de modula¸c˜ao, as tens˜oes do capacitor oscilam dentro de
    um intervalo e com um espalhamento. Em termos de confiabilidade, a literatura apresenta
    trabalhos nos quais ´e avaliado o tempo de vida ´util do DSCC. Entretanto, nenhum desses
    trabalhos leva em conta o efeito n˜ao desprez´ıvel do
    ripple de tens˜ao nos capacitores da
    c´elula e tamb´em como a estrat´egia de modula¸c˜ao pode afetar esse
    ripple de tens˜ao e,
    consequentemente, a vida ´util do capacitor. Portanto, este trabalho considera o efeito
    de todos os componentes da c´elula (ou seja, dispositivos semicondutores e capacitores) e
    analisa o impacto das estrat´egias de modula¸c˜ao na vida ´util de um DSCC-STATCOM.
    Para este prop´osito, duas estrat´egias de modula¸c˜ao s˜ao selecionadas: PS-PWM (do inglˆes
    Phase-Shifted Pulse-Width Modulation) e NLC-CTB (do inglˆes Nearest-Level Control with
    Cell Tolerance Band algorithm
    ). Al´em disso, este trabalho apresenta o ´ındice de fator de
    espalhamento para comparar diferentes estrat´egias de modula¸c˜ao em termos de capacidade
    de balanceamento de tens˜ao do capacitor. Al´em disso, os requisitos de armazenamento
    de energia para cada estrat´egia de modula¸c˜ao s˜ao discutidos. Para analisar o efeito do
    ripple da tens˜ao do capacitor da c´elula na vida ´util, a metodologia que melhor representa
    seu efeito no modelo de vida ´util do capacitor, bem como sua frequˆencia de amostragem,
    s˜ao investigadas. Os resultados indicaram que diferentes estrat´egias de modula¸c˜ao podem
    exigir armazenamento de energia distintos. De fato, o NLC-CTB requer armazenamento
    de energia 44 % maior que o PS-PWM. Como consequˆencia, o n´umero de capacitores afeta
    o tempo de vida ´util do banco de capacitores. Por outro lado, as estrat´egias de modula¸c˜ao
    podem produzir diferentes perdas de energia que tamb´em afetam o tempo de vida ´ util das
    chaves e geram custos adicionais



  • Mostrar Abstract
  • The distribution and transmission systems supply a huge variety of loads. Nevertheless,
    most of these loads are non-resistive or fluctuating. These loads can generate voltage
    variations which affect the operation and efficiency of the systems. In order to minimize
    these problems, reactive power compensation is indicated. In this context, the Static
    Synchronous Compensator (STATCOM) has been widely used. The major challenge in the
    design of medium and high voltage STATCOMs is to define a converter topology which
    must reach higher power and voltage levels with standard rated semiconductor switches.
    In this context, the topology Double-Star Chopper Cell (DSCC), member of the Modular
    Multilevel Cascade Converter family, has proved to be an attractive option for medium and
    high voltage STATCOM applications. Nevertheless, the DSCC topology has some challenges
    in the modulation schemes, energy storage requirements and reliability. Regarding the
    energy storage requirement the literature considers balanced capacitor voltages in the design.
    However, depending on the modulation strategy, the capacitor voltages oscillate within a
    range and with a spreading. In terms of reliability, the literature presents works in which is
    evaluated the DSCC lifetime. Nevertheless, none of these works take into account the effect
    of the non-negligible voltage ripple in the cell capacitors and also how the modulation
    strategy can affect this capacitor voltage ripple and, consequently, the capacitor lifetime.
    Therefore, this work considers the effect of all cell components (i.e. semiconductor devices
    and capacitors) and analyzes the modulation strategies impact on the energy storage
    requirements and reliability of a DSCC-STATCOM. For this purpose, two modulation
    strategies are selected: Phase-Shifted Pulse-Width Modulation (PS-PWM) and NearestLevel Control with Cell Tolerance Band algorithm (NLC-CTB). In addition, this work
    introduces the spreading factor index to compare different modulation strategies in terms
    of capacitor voltage balancing capability. Additionally, the energy storage requirements
    for each modulation strategy are discussed. In order to analyze the cell capacitor voltage
    ripple effect on lifetime, the methodology which better represent its effect on the capacitor
    lifetime model as well as its sampling frequency are investigated. Moreover, the results
    indicated that different modulation strategies may require distinct energy storage. In
    fact, the NLC-CTB requires energy storage 44 % higher than PS-PWM. As consequence,
    different capacitor numbers impact on the lifetime of the capacitor bank. On the other
    hand, the modulation strategies may produce different power losses which also impact on
    the lifetime and produce additional costs.


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  • Marcus Paulo Silva de Abreu
  • Síntese de Controladores Multivariáveis Baseados em Controle por Modelo Interno e Otimização Evolucionária Multiobjetivo.

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO FANTINI MIRANDA
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • Data: 28/06/2019
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  • Os processos industriais, frequentemente, possuem plantas com múltiplas entradas e múltiplas saídas com atrasos no tempo em suas malhas, o que dificulta a realização do controle. Os controladores PID, que a despeito dos avanços nos sistemas de controle digital, são majoritários no ambiente industrial, necessitam do ajuste de três parâmetros: o ganho proporcional, o tempo derivativo e o tempo integral. Com a estrutura de controle por modelo interno, porém, é possível obter controladores PID ou PI sintonizando apenas um parâmetro por malha de controle. Nesse contexto, essa dissertação apresenta uma forma de projeto simples e eficiente de controladores PI, com desacoplador, baseado no controle por modelo interno e em otimização multiobjetivo. Inicialmente, é projetado um desacoplador, utilizando o método Evolução Diferencial para minimizar a diferença entre as respostas transitórias da matriz de transferência diagonal especificada e o sistema desacoplado. A partir do sistema desacoplado, são utilizadas as regras de sintonia IMC para gerar os controladores PI (IMC-PI). É proposto nesse trabalho a aplicação do algoritmo Evolução Diferencial para Otimização Multiobjetivo para determinação dos parâmetros dos controladores IMC-PI, o que torna possível a obtenção de um grupo de soluções eficientes com diferentes compromissos entre o rastreamento da referência e o esforço de controle. Para mostrar a eficácia da metodologia abordada, os controladores IMC-PI propostos são aplicados em três exemplos ilustrativos de sistemas com forte acoplamento, sendo dois deles com elementos de atraso em suas malhas.


  • Mostrar Abstract
  • Industrial processes often present plants with multiple input and multiple output with time delays in their loops, which makes it difficult to carry out the control. PID controllers, which in spite of advances in digital control systems, are the majority in the industrial field, need the tuning of three parameters: proportional gain, derivative time and integral time. With the internal model control structure, however, it is possible to obtain PID or PI controllers by tuning only one parameter per control loop. In this context, this dissertation presents a simple and efficient way to design of PI controllers, with decoupler, based on internal model control and multiobjective optimization. First, a decoupler is designed using the Differential Evolution method to minimize the difference between the transient responses of the specified diagonal transfer matrix and the decoupled system. From the decoupled system, the IMC tuning rules are applied to generate the PI controllers (IMC-PI). In this work, it is proposed to apply the Differential Evolution for Multiobjective Optimization algorithm to determine the parameters of the IMC-PI controllers, which makes it possible to obtain a group of efficient solutions with different trade- offs between the set point tracking and the control effort. In order to show the effectiveness of the methodology, the proposed IMC-PI controllers are applied in three illustrative examples of systems with strong coupling, in which two of them have time delay.

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  • AYRES HENRIQUE VILARINO DE BARROS
  •  

    Síntese de Controlador PID Robusto Multivariável Com Preditor de Smith Filtrado Através de Método de Otimização Evolutivo.


  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • VICTOR COSTA DA SILVA CAMPOS
  • Data: 11/07/2019
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  • Dentre os processos industriais existentes, um caso particular são aqueles que apresentam em suas dinâmicas elevado atraso, ou tempo morto. Para esse caso, estudos prévios na literatura indicam que técnicas clássicas empregando apenas controladores PID têm dificuldades para atender os critérios de estabilidade e desempenho. Uma solução para esse problema é conhecida como preditor de Smith, que permite projetar o controlador para o modelo da planta livre dos atrasos. Porém, trata-se de um esquema sensível às incertezas dos parâmetros da planta. Nesta dissertação é utilizado um procedimento iterativo de sintonia de controlador robusto PID com preditor de Smith filtrado para sistemas multivariáveis, com número de entradas igual ao número de saídas ou não, contínuos no tempo, com atrasos incertos variando em faixas. A contribuição mais importante deste trabalho é apresentar uma metodologia alternativa para tratar o problema de sintonia de controlador multivariável em sistemas incertos com atrasos dominantes. A proposta é sintonizar o controle PID com preditor de Smith e filtro de robustez de forma que as saídas de malha fechada da planta controlada se aproximem das saídas de um modelo de referência, ambos sujeitos às mesmas entradas exógenas. Tal objetivo de controle pode ser formulado como um problema de otimização em que se deseja minimizar a integral do erro ao quadrado, ou outro critério. Um modelo de referência diagonal é adotado para impor o desacoplamento entre as malhas de controle. Cada elemento da diagonal do modelo de referência determina as características desejadas para as respostas de rastreamento de referência. Ao se considerar que parte dos parâmetros do sistema não são precisamente conhecidos, mas que os mesmos podem estar dentro de um intervalo fechado, o problema de otimização multiobjetivo se torna um problema de otimização semi-infinita multiobjetivo, de difícil solução, em que é necessário minimizar o pior caso do domínio de incerteza com infinitos pontos, tanto para o sinal de referência, quanto para as perturbações. Para solucionar tal problema, é possível aplicar um procedimento iterativo de dois passos. No primeiro passo a otimização é transformada em mono-objetivo e realizada para um conjunto finito de pontos e, no segundo passo, o controlador obtido é verificado para os pontos do domínio infinito de incerteza. Havendo necessidade, novos pontos podem ser acrescentados no conjunto até que o resultado da otimização do primeiro passo seja similar ao resultado da análise no segundo passo. Neste trabalho é aplicado o algoritmo Evolução Diferencial tanto para o passo de sintonia quanto para o passo de análise. Alguns exemplos ilustrativos são considerados para demonstrar a eficácia desta técnica e os resultados obtidos pelo procedimento proposto são comparados com outros da literatura.


  • Mostrar Abstract
  • Among the existing industrial processes, a particular case is those that present in their dynamics high delay, or dead time. For this case, previous studies in the literature indicates that classical techniques employing only PID controllers have difficulties in meeting the stability and performance criteria. A solution to this problem is known as Smith predictor that allows designing the controller for the model free of delays. However, it is a scheme sensitive to the uncertainties of plant parameters. In this dissertation, an iterative tuning procedure for PID controller with a filtered Smith predictor is applied for multivariable, with number of inputs equal to the number of outputs or not, continuous time, time-delayed systems, with uncertain delays varying in ranges. The most important contribution of this work is to present an alternative methodology to treat the problem of multivariable controller tuning in uncertain systems with dominant delays. The proposal is to tune the PID control with Smith predictor and robustness filter so that the closed loop outputs of the controlled plant approach the outputs of a reference model, both subject to the same exogenous inputs. Such a control objective can be formulated as an optimization problem where it is desired to minimize the integral of the squared error, or other criterion. A diagonal reference model is adopted to enforce decoupling among the control loops. Each diagonal element of the reference model determines the characteristics desired for the reference tracking responses. When considering that part of the system parameters are not precisely known, but that they may be within a closed interval, the multiobjective optimization problem becomes a multiobjective semi-infinite optimization problem, difficult to solve, where it is necessary to minimize the worst case in the uncertainty domain with infinite points, for both the reference signal and the disturbances. To solve this problem, it is proposed to apply an iterative two-step procedure. In the first step, the optimization is transformed into mono-objective and performed for a finite set of points and, in the second step, the achieved controller is verified for the points of the infinite uncertainty domain. If necessary, new points may be added to the set until the result of the optimization in the first step is similar to the result of the analysis in the second step. In this work, the Differential Evolution algorithm is applied to both the tuning step and the analysis step. Some illustrative examples are considered to demonstrate the efficacy of this technique and the results obtained by the proposed procedure are compared to others in the literature.

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  • RAMON HENRIQUES DE SOUZA
  • IMPLEMENTAÇÃO DE TÉCNICAS DE MODULAÇÃO PARA UM INVERSOR TRIFÁSICO DE CINCO NÍVEIS COM FOCO EM ACIONAMENTOS ELÉTRICOS

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Marcos Antônio Severo Mendes
  • Data: 08/08/2019
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  •  Os conversores multiníveis são utilizados nas áreas de siderurgia e mineração, onde se demanda potências elevadas, em média e alta tensão. Para se obter melhor desempenho nessa condição, são realizados estudos nas topologias e nas técnicas de modulação empregadas. Este trabalho apresenta um estudo de uma topologia alternativa de conversor NPC (Neutral Point Clamped – Ponto de neutro grampeado) de cinco níveis, denominado conversor Tipo G, para comando de máquinas em média tensão. Esta topologia é baseada em braços de conversores NPC de três níveis.

    Para comando das chaves deste conversor são estudadas e analisadas seis técnicas de PWM (Pulse Width Modulation - modulação por largura de pulso), operando em baixas frequências. Resultados de simulação, obtidos através do software PLECS Standalone®, são utilizados para avaliação comparativa dessas técnicas. As técnicas são comparadas quanto à THD (Total Harmonic Distortion – Taxa de distorção harmônica), número de comutações, posição dos espectros harmônicos e simetria da forma de onda da tensão sintetizada, conseguindo assim avaliar a operação no comando e acionamento de máquinas. Os moduladores foram implementados em um DSP TMS320F28335 da Texas Instruments™ e, por meio de protótipo do conversor desenvolvido em laboratório, resultados experimentais foram obtidos, comparando-os com aqueles obtidos por meio de simulação e confrontados com a teoria. Os resultados mostram que, de acordo com os critérios estabelecidos, a técnica PWM do tipo PD-Unipolar apresenta o melhor desempenho global.


  • Mostrar Abstract
  • The multilevel converters are employed in steel and mining segments which demand high power in medium and high voltage. In order to improve performance in this condition, studies are carried out on topology and modulation techniques. This work presents a study of an alternative five levels topology converter NPC (Neutral Point Clamped) which is known as type G converter, for ac drive in medium voltage. The topology is based on three-level NPC converter legs.

    In order to command the converter switches some PWM (Pulse Width Modulation) techniques, in low switching frequency operation are studied and analyzed. The software PLECS Standalone® was used to obtain simulation results that were applied to a comparative evaluation of these techniques. The techniques are compared in terms of THD (Total Harmonic Distortion), number of commutations, positions of the harmonic spectrum and symmetry of the synthesized voltage waveform, thus evaluating the operation of machine drive. An experimental converter prototype was developed in laboratory and modulators were implemented with the aid of Texas Instruments™ TMS320F28335 DSP. Results were obtained and compared to those got through simulation and confronted with the theory. The results show that, according to the established criteria, the PD-Unipolar PWM technique presents the best overwall performance.

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  • MICHELLE FERREIRA DE FARIA CASTRO
  • Estabilização de sistemas incertos discretos e variantes no tempo sujeitos a atraso nos estados e entradas saturantes

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEXANDRE SEURET
  • EUGENIO DE BONA CASTELAN NETO
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 27/08/2019
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  • Neste trabalho são propostas condições de síntese de controladores por realimentação de estados para sistemas incertos discretos no tempo com atraso nos estados e entradas saturantes.  A saturação do atuador é representada
    em termos de uma não-linearidade do tipo zona-morta, com a consequente aplicação da condição generalizada de setor. Devido a saturação é necessário estimar uma região de atração dentro da qual todas as trajetórias iniciadas em seu interior permaneçam nessa região e convirjam para a origem. Assim, o objetivo é determinar condições para síntese de controladores do tipo realimentação de estados, que garantam para um conjunto de condições iniciais admissíveis a estabilidade assintótica de sistemas incertos discretos no tempo com atraso nos estados e saturação de atuadores. Para isso, são propostas duas abordagens: a primeira utilizando uma função de Lyapunov-Krasovskii  adequada que trata os estados atrasados e a segunda reescrevendo o sistema com atraso como um sistema incerto aumentado livre de atraso e chaveado pelo valor do atraso. Dessa forma, as principais contribuições desse trabalho são três. A primeira é propor uma desigualdade de somatórios responsável por atrasos variáveis no tempo em que é fornecido um método para deduzir uma condição de estabilização menos conservadora. A segunda é propor uma nova caracterização do conjunto admissível de sequências iniciais que consiste na definição de três conjuntos, produzindo sequências iniciais com maior norma do que abordagens semelhantes na literatura. E por último foi verificado que a inclusão na composição do sinal extra da condição generalizada de setor, pode aumentar o tamanho da estimativa da região de atração.  Por fim, são apresentados exemplos numéricos para demonstrar a eficiência dos métodos propostos e comparar com outros existentes na literatura.


  • Mostrar Abstract
  • In this work, state feedback controller synthesis conditions are proposed for discrete-time uncertain systems with delayed states and saturating inputs. Actuator saturation is represented in terms of a nonlinearity of the dead zone type, with the consequent application of the generalized sector condition. Due to saturation it is necessary to estimate a region of attraction within which all trajectories initiated within it remain in that region and converge to the origin. Thus, the objective is to determine conditions for the synthesis of state feedback controllers that guarantee for a set of allowable initial conditions the asymptotic stability of discrete time uncertain systems with state delay and actuator saturation. To this end, two approaches are proposed: the first using a suitable Lyapunov-Krasovskii function that treats delayed states and the second rewriting the delay as an augmented system free of delay and swicthed by the delay value. Thus, the main contributions of this work are three. The first is to propose a sum inequality responsible for varying delays in the time when a method is provided to deduce a less conservative stabilization condition. The second is to propose a new characterization of the allowable set of initial sequences that consists of the definition of three sets, producing larger initial sequences than similar approaches in the literature. Lastly, it was verified that the inclusion of the extra signal composition of the generalized sector condition can increase the size of the region of attraction estimate. And finally, numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed methods and to compare with others in the literature.

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  • WILLIAM CAIRES SILVA AMORIM
  • Reduced-Order Simulation Models for ES-STATCOM based on Modular Multilevel Converters.
  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • TOMÁS PERPETUO CORRÊA
  • Data: 16/12/2019
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  • 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 STATCOM 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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  • Due to the high penetration of renewable energies, power systems may become more susceptible to grid voltage fault, grid frequency disturbances, harmonic resonances and others. Several studies have pointed out that ancillary services provided by energy storage systems can minimize such kind of problems. The combination of energy storage by electrochemical batteries and static synchronous compensator has been proposed to reduce the cost of these systems. Modular multilevel converters are presented as a good solution for building energy storage systems and static synchronous compensator (STATCOM) due to their high efficiency, modularity and inherent fault tolerance structure. However, the study of the integration of energy storage systems and STATCOM based on modular multilevel converters applied in an electrical power system is complex. This complexity is due to the presence of electronic power converters, transmission system, renewable sources, transformers, among others, which result in a high computational effort for simulation. In this sense, this work presents the detailed design of a multilevel modular converter and implementation of three reduced-order simulation models. The computational models represent multilevel modular converter applied to energy storage systems aggregated to a STATCOM, called ES-STATCOM (Energy Storage System - Static Synchronous Compensator). The performance of these models are compared in three case studies: analysis of the charging and discharging process of the designed storage system, frequency support and voltage support. A 100 MVA modular multilevel converter connected to a 33 kV grid is considered. The results indicated a high similarity of the dynamic behavior of variables such as active power, reactive power, circulating current and grid current among the reduced-order simulation models. Moreover, the models were compared based on the figure of merit normalized integral of absolute error and the total processing time variables. A low error between the reduced-order models and a reduction between 50% to 70% of the total processing time.

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  • JOÃO VICTOR MATOS FARIAS
  • Reliability-Oriented Redundancy Design for Modular Multilevel Cascaded Converter-based STATCOMs.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • ALLAN FAGNER CUPERTINO
  • TOMÁS PERPETUO CORRÊA
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • Data: 16/12/2019
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  • 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.


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  • Medium/high-voltage distribution and transmission systems have a huge variety of nonlinear loads. Additionally, the large penetration of renewable energy sources in the power system has motivated studies about static synchronous compensator (STATCOM). In this context, the multilevel converter is an interesting technology for this application. Particular attention is given to modular multilevel cascaded converters (MMCCs) due to the high scalability, modularity, redundancy and efficiency that are inherent features of the topology. To be able to operate at high voltage levels, a large number of semiconductor cells/devices is required, compromising the converter reliability. Redundant cells can be employed to fulfill the converter reliability requirements. However, the redundancy factor design is still an important area to be explored. This work proposes a reliability model for the correct selection of the redundant cells number, which aims to reach a determined lifetime target. This model combines random failure and wear-out failure analysis. The redundancy factor is computed for given reliability requirements, i.e., this work proposes a reliability-oriented redundancy design. The case study is based on a 13.8 kV/17 MVA MMCC-based STATCOM. The implementation of the converter is performed through four commercial blocking voltage of semiconductor devices (1.7, 3.3, 4.5 and 6.5 kV). The capital expenditure (CAPEX) and operation expenditure (OPEX) are estimated considering the required redundancy factor. Considering a target of 20 years of operation for the converter and reliability levels greater than 90%, the design based on 1.7 kV devices has the lowest cost for the MMCC STATCOM realization.

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  • FERNANDO ALMEIDA DINIZ
  • Impacto da representação do efeito do solo no estudo transitórios em linhas de transmissão aéreas

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANTONIO CARLOS SIQUEIRA DE LIMA
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • RODOLFO ANTÔNIO RIBEIRO DE MOURA
  • Data: 17/12/2019
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  • 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 (Mode-Revealing 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.


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  • Transmission lines are a fundamental link in power systems and therefore the continuity of their operation even in the event of overvoltage is essential. Transmission line models, usually available in popular transient simulators, do not consider the effects associated with the ground displacement currents (hypothesis valid only for low frequencies), the frequency dependence of the electrical parameters of soil and ground admittance correction. These assumptions may lead to models that do not adequately represent the transient response, especially in cases involving lightning transients and high-resistivity soils.

    This Master Thesis intends to generate a contribution in the soil effect representation models of overhead transmission lines. For this, we compare the results of computational simulations of electromagnetic transients in overhead lines, considering different formulations to calculate their per-unit-length parameters.

    The analyzes are divided into three parts. First, we evaluate the influence of the soil effect on the line parameters in the modal and frequency domains. Then, in phases domain and using the Numerical Laplace Transform, we evaluate how the ground representation influences the transient voltages resulting from the energization of transmission lines of different configurations. Finally, ATP simulations are developed to determine the impact of the ground effect representation on lightning overvoltage. In this case, the line models not available in ATP are included using the Vector Fitting technique, modified with the use of the Mode-Revealing Transformation. According to the results, the displacement currents, the soil admittance and the frequency dependence of the electrical parameters of soil may be important in the analysis of electromagnetic transients in overhead lines located in high resistivity soil regions.

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  • VITOR VIDAL DE NEGREIROS
  • Redução do Custo Computacional na Síntese de Controladores PI Multivariáveis Utilizando Algoritmo Evolutivo Combinado com Redes Neurais

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • LUCAS DE SOUZA BATISTA
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • Data: 18/12/2019
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  • A síntese de controladores PI multivariáveis por meio de otimização é umaestratégia efetiva e que tem sido amplamente testada graças à grandevariedade de algoritmos disponíveis. Esse processo tem como etapasfundamentais a modelagem do problema a ser otimizado e a escolha dométodo de otimização aplicado. A escolha da função objetivo tem reflexosno custo computacional e nas características do sistema em malhafechada obtido. O método de otimização, por sua vez, impacta nacapacidade de se encontrar ou não uma solução satisfatória em tempocomputacional aceitável. Este trabalho apresenta uma variante do métodoEvolução Diferencial que lança mão de redes neurais artificiais parareduzir o custo computacional do processo de síntese de controladores PImultivariáveis. O algoritmo é testado com funções de \textit{benchmark}clássicas da área de otimização para sua validação e estudo. Doissistemas típicos da área de controle, ambos com múltiplas entradas esaídas e atrasos de transporte são usados como exemplos para sintoniade controladores pelo método Evolução Diferencial clássico e pela novaversão. Os resultados mostram os benefícios e pontos de atenção emrelação ao método proposto, além de comparar, como objetivo secundário,o impacto da utilização de funções objetivo baseadas em normas desistemas e de sinais no procedimento de síntese. O método propostodiminui o número total de cálculos da função objetivo, reduzindo o custocomputacional do processo de otimização. Em contrapartida, observou-seuma maior variância e menor taxa de convergência do algoritmomodificado. As funções objetivo baseadas em normas de sinaisapresentam o melhor desempenho de controle, enquanto funções objetivobaseadas em normas de sistemas apresentam menor custocomputacional


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  • The synthesis of multivariable PI controllers by means of optimization is aneffective strategy that has been widely used thanks to the variety ofoptimization methods and its great capacity of finding good solutions. Thisprocedure has two fundamental steps, the modeling of the problem to beoptimized and the choice of the optimization method to be applied. Theobjective function has direct influence over the computational cost and onthe characteristics of the closed-loop system. The algorithm to be utilized,by its turn, impacts on the capacity of finding or not good solutions with anacceptable computational cost. This work presents a variant of theDifferential Evolution method which takes advantage of artificial neuralnetworks to reduce the computational cost of the synthesis process formultivariable PI controllers. The new algorithm is tested with classicalbenchmark functions of the optimization area for its validation and study.Two typical systems of the control area, both with multiple inputs andoutputs and with transport delays are used as examples of the applicationof the new algorithm to the synthesis of multivariable PI controllers. Theresults show the benefits and drawbacks of the proposed method. Besidesthat, as a secondary objective, the differences of using objective functionsbased on systems and signals norms are analysed and discussed. Theproposed method reduces the total number of objective functionevaluations, decreasing the computational cost. However, it was observedan increase in the results variance and a decrease in convergence rate.The objective functions based on signal norms present a better controlperformance, while objective functions based on system norms have alower computational cost.

2018
Dissertações
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  • Waldri dos Santos Oliveira
  • Implementação de Controle Não Linear para Drone Quadrirrotor com Fusão de Sensores por Filtro De Kalman

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA SOPHIA CAVALCANTI ALVES VILAS BOAS
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • GIOVANI GUIMARAES RODRIGUES
  • Data: 19/02/2018
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  • Objetivo desta dissertação de mestrado é a construção de um protótipo de quadrirrotor, um veículo aéreo não tripulado, que permita a implementação e avaliação de estratégias de controle para a estabilização e controle de seus ângulos de atitude. São descritos todos os componentes que compõem o protótipo, entre eles, motores CC brushless para acionamentos das hélices, sistema de controle de velocidade eletrônico dos motores, sensores e microcontrolador. Para implementação das lógicas de medição e controle, é utilizada uma   plataforma aberta de hardware, a Arduino®. No controle de quadrirrotores é fundamental a precisão na medição dos ângulos de atitude, o que afeta a sua estabilidade e segurança. Para a medição dos ângulos de atitude é utilizada uma unidade de medição inercial, composta por um acelerômetro e um giroscópio, construída na forma de um circuito integrado utilizando a tecnologia de sistemas microeletromecânicos. É adotada uma metodologia de fusões de sinais, que utiliza o filtro de Kalman, para determinação do ângulo de atitude a partir dos sinais do giroscópio e do acelerômetro. A metodologia de medição é implementada e avaliada na plataforma Simulink® para MATLAB® para posterior implementação na plataforma Arduino®. É apresentada a modelagem matemática de quadrirrotores que é utilizada para a representação do comportamento do protótipo. Os parâmetros do modelo do protótipo de quadrirrotor são determinados a partir de cálculos baseados nos dados construtivos e por intermédio de testes experimentais. O modelo obtido é utilizado para simulação na plataforma Simulink® para MATLAB®, permitindo o projeto e a avaliação da estratégia de controle. É adotada uma técnica de controle não linear, backstepping, que é avaliada tanto por meio de simulação computacional como por testes experimentais no protótipo de quadrirrotor. A metodologia de controle, juntamente com a fusão de sensores pelo filtro de Kalman, são implementadas na plataforma Arduino® para o controle em tempo real do protótipo de quadrirrotor. Os parâmetros do controlador são obtidos por uma técnica de otimização disponível na plataforma Simulink®. A técnica de projeto empregada é baseada na obtenção do controlador que garante limites especificados para a resposta transitória da saída controlada. Os resultados experimentais são compatíveis com os resultados de simulação. É verificada a adequação da técnica de controle backstepping para o controle de atitude. Também é comprovada a eficiência do procedimento adotado para o projeto dos parâmetros do controlador não linear.


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  • The objective of this master's dissertation is the construction of a prototype of quadrotor, an unmanned aerial vehicle, that allows the implementation and evaluation of control strategies for the stabilization and control of its attitude angles. All the components that make up the prototype are described, among them, brushless DC motors for propeller drives, electronic speed control system for motors, sensors and microcontroller. For the implementation of measurement and control logic, an open hardware platform, Arduino®, is applied. In the control of the quadrotor, accuracy in the measurement of attitude angles is fundamental, which affects the stability and safety. For the measurement of the attitude angles, it is applied an inertial measurement unit, composed of an accelerometer and a gyroscope, that is built in the form of an integrated circuit using microelectromechanical system technology. A signal fusion method, using the Kalman filter, is applied to determine the attitude angle from the gyroscope and accelerometer signals. The measurement methodology is implemented and evaluated on the Simulink® platform for MATLAB® for later implementation on the Arduino® platform. It is presented the mathematical modeling of quadrotor that is applied to represent the behavior of the prototype. The parameters of the quadrotor model are determined from calculations based on the constructive data and by means of experimental tests. The obtained model is applied for simulation in the Simulink® platform for MATLAB®, allowing the design and evaluation of the control strategy. A non-linear control technique, backstepping, is adopted, which is evaluated both by means of computational simulation as well by experimental tests in the quadrotor prototype. The control methodology, coupled with the fusion of sensors by the Kalman filter, are implemented in the Arduino® platform for the real-time control of the quadrotor prototype. The controller parameters are achieved by means of an optimization technique available on the Simulink® platform. The employed design technique is based on obtaining the controller that guarantees specified limits for the transient response of the controlled output. The experimental results are compatible with the simulation results. It is verified the adequacy of the backstepping control technique for the attitude control. It is also proven the efficiency of the adopted procedure for the design of the non-linear controller parameters.

     

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  • LUDMILA RODRIGUES MILAGRE
  • Projeto de Antenas Impressas com Técnicas de Otimização e Método FDTD para Recepção de Energia Sem Fio.

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 23/02/2018
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  • Com o desenvolvimento tecnológico, o uso de sistemas sem fio tornou-se comum e uma grande quantidade de ondas eletromagnéticas são espalhadas no ambiente. Grande parte dessas ondas não alcançam o receptor e tornam-se inutilizáveis, gerando desperdício de energia. Dessa forma, a rectenna surge como um sistema promissor para coleta de energia de radiofrequência e conversão em energia elétrica de corrente contínua. Sendo a rectenna composta por uma antena associada a um retificador, o projeto da antena é de extrema importância para obter um sistema com alta eficiência na conversão de sinais harmônicos em corrente contínua.
    Neste contexto, este trabalho tem como objetivo projetar uma antena impressa com plaqueta retangular, alimentada via microfita para integrar um sistema rectenna. Para isso, realizou-se uma otimização empregando o algoritmo de Evolução Diferencial, que tem sido aplicado na resolução de problemas que envolvem antenas, apresentando melhor desempenho que outros algoritmos evolucionários clássicos. Tal algoritmo teve a etapa de seleção modificada baseada no algoritmo NSGA-II para o tratamento dos multiobjetivos. Para o cálculo da função objetivo é necessário a utilização de métodos computacionais que analisem os campos no entorno da antena continuamente, sempre que a geometria da antena for modificada. Dessa forma, verifica-se que o método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo é adequado para a simulação da antena proposta, além de realizar a análise no tempo e para diversas frequências em um única simulação. A associação deste método com uma condição de fronteira absorvente, simula um espaço ilimitado absorvendo os campos que alcançam a fronteira do domínio computacional, assegurando assim a precisão dos resultados.
    No projeto as dimensões da antena – largura e comprimento da plaqueta e comprimento da reentrância – são utilizadas como variáveis de otimização para alcançar os alvos definidos para o projeto da antena - frequência de ressonância de 2,45 𝐺𝐻𝑧, largura de banda entre 2,4−2,5 𝐺𝐻𝑧, perda de retorno menor que −15 𝑑𝐵, resistência igual a 50 Ω e a reatância nula. Os alvos foram alcançados para as variáveis de otimização utilizadas e os resultados das simulações apresentaram concordância com as respostas fornecidas por softwares comerciais.


  • Mostrar Abstract
  • With the technological development, the use of wireless systems has become common usual and a great number of electromagnetic waves have been scattered in the environment. A large part of these waves does not achieve the receiver and become unusable, create energy waste. Thus, the rectenna arise how a promising system to radiofrequency energy harvesting and conversion into electric energy of direct current. Since the rectenna is composed of an antenna associated with a rectifier, the antenna design is of utmost importance to obtain a system with high efficiency in the conversion of harmonic signals into direct current.
    In this context, the aim of this work is to design a printed antenna with rectangular patch, fed by a microstrip to integrate a system rectenna. For this, an optimization was carried out employing the Differential Evolution Algorithm, which has been applied in the resolution of problems involving antennas, presenting better performance than other classic evolutionary algorithms. The selection step in this algorithm was modified, based on the NSGA-II algorithm for the treatment of the multi-objectives.
    For calculating of the objective function it is necessary to use computational methods that analyze the fields around the antenna continuously, whenever the antenna geometry is modified. Thus, it can be observed that the Finite-Difference Time-Domain Method is appropriate for the simulation of the proposed antenna, besides carrying out the analysis in the time and for several frequencies in a single simulation. The association of this method with an absorbing boundary condition simulates an unlimited space, absorbing the fields that reach the boundary of the computational domain, thus ensuring the accuracy of the results.
    In the design the antenna dimensions - patch width and length and inset-fed length - are used as optimization variables to reach the goals defined for the antenna design - resonance frequency of 2,45 𝐺𝐻𝑧, bandwidth in the range of 2,4−2,5 𝐺𝐻𝑧, return loss less than −15 𝑑𝐵, resistance of 50 Ω and zero reactance. The optimization goals were reached for the input variables used and the simulation results showed agreement with the answers given by commercial softwares.

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  • Matheus Henrique Rosa Duarte
  • Impacto da Representação de Sistemas de Aterramento no Desempenho de Para-Raios de Linhas de Transmissão.

     

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • ANTONIO CARLOS SIQUEIRA DE LIMA
  • Alberto Resende de Conti
  • IVAN JOSÉ DA SILVA LOPES
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • Data: 16/03/2018
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  • Descargas atmosféricas consistem na principal ameaça à continuidade de operação de
    linhas de transmissão. Para minimização dos riscos associados a esse fenômeno, buscase o estabelecimento de bons sistemas de aterramento de pé de torre, e eventualmente,
    instalação de para-raios em paralelo com isoladores de linha. Nesse contexto, o
    presente trabalho avalia qualitativa e quantitativamente o comportamento de pararaios instalados em linhas de transmissão quando da incidência de descargas
    atmosféricas diretamente no topo de suas torres.
    Essas avaliações são conduzidas a partir de simulações no domínio do tempo. Em adição,
    avalia-se o impacto da representação do aterramento de pé de torre nos resultados
    levantados. São comparados os resultados associados à consideração de representações
    simplificadas do aterramento – a resistência de aterramento em baixas frequências e a
    impedância impulsiva –, com os resultados decorrentes da representação do rigoroso
    comportamento dependente da frequência do aterramento.
    A interação entre linhas de transmissão, para-raios e descargas atmosféricas é avaliada
    a partir de dois pontos de vista. Primeiramente, levanta-se o potencial de ruptura da
    rigidez dielétrica de isoladores. Em um segundo momento, avalia-se a energia
    acumulada no dispositivo para-raios da linha em virtude dessa descarga. Nas análises
    realizadas, são variados sistemas de aterramento de pé de torre, descargas atmosféricas
    de diferentes formas de onda e amplitude, entre outros. Essas variações correspondem
    a condições de incidência passíveis de ocorrência, considerando a realidade do sistema
    de transmissão brasileiro.
    Observou-se que a impedância impulsiva pode ser uma boa representação para o
    sistema de aterramento submetido a correntes impulsivas em simulações cuja cauda da
    descarga não apresenta um papel relevante no comportamento estudado. Em
    simulações nas quais a influência da cauda da descarga é considerável, a representação
    a partir da impedância impulsiva pode incorrer em erros consideráveis, subestimando o
    potencial danoso de descargas atmosféricas em linhas de transmissão.



  • Mostrar Abstract
  • Lightning are the main threat to the continuity of transmission line operation. In order
    to reduce the risks associated with this phenomenon, it is a common practice to provide
    an appropriate tower-footing grounding, and eventually, to install surge arresters in
    parallel with the line insulators. In this context, the present work evaluates both
    quantitatively and qualitatively the behavior of surge arresters installed in transmission
    lines when subjected to direct first strokes at the top of transmission towers.
    Time-domain simulations are used to evaluate this behavior. In addition, it is evaluated
    the impact of the representation of the tower-footing grounding in the results. Results
    obtained for simplified representations of the grounding, namely low-frequency
    grounding resistance and impulsive impedance, are compared with the results
    associated with the representation of the rigorous frequency-dependent behavior of the
    grounding.
    The interaction between transmission lines, surge arresters and lightning is evaluated
    from two points of view. First, it is assessed the potential of an insulation breakdown
    when lightning currents are injected at the top of the tower. Second, it is evaluated the
    energy in the surge arresters due to this lightning. Each analysis is carried out for
    different lightning incidence conditions, considering different tower-footing grounding
    arrangements, different lightning waveforms and amplitudes, among others. These
    variations are subject to occurrence, considering the reality of the Brazilian transmission
    system.
    Tower-footing grounding may be represented by their impulsive impedance in lightning
    simulations, as long as the lightning tail does not represent a considerable influence on
    the behavior under analysis. In simulations in which the lightning tail is relevant,
    representing tower-footing grounding by their impulsive impedance may lead to
    considerable errors, underestimating the potential damage of lightning in transmission
    lines.


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  • Rafael Barroso de Macêdo
  • MESHLESS IEFGM APLICADO A PROBLEMAS DE ATERRAMENTO ELÉTRICO EM BAIXA FREQUÊNCIA EXCITADO POR CORRENTE

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Gláucio Lopes Ramos
  • WILLIAMS LARA DE NICOMEDES
  • Data: 04/04/2018
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  • Esta dissertação apresenta um estudo do método sem malhas Element-Free Galerkin aplicado na solução problemas de aterramento elétrico em baixa frequência. O modelo eletromagnético do sistema de aterramento é desenvolvido a partir da aplicação da técnica de injeção de corrente diretamente no ponto de defeito, como forma de excitação da haste de aterramento. Inicialmente, apresentam-se as principais características do método sem malhas e seus conceitos gerais. Então, é desenvolvida a formulação do problema para cálculo da resistência de aterramento e determinação da distribuição de potencial para uma haste inserida em solo homogêneo, bem como, em solo heterogêneo estratificado em duas e três camadas. Para implementação do modelo eletromagnético foi desenvolvida uma ferramenta computacional utilizando-se o ambiente MATLAB. Os resultados obtidos por meio da aplicação do método sem malha são comparados com valores gerados pelo Método dos Momentos, demonstrando a validade e a precisão da técnica desenvolvida.


  • Mostrar Abstract
  • This work presents a study of the Element-Free Galerkin-free meshed method applied in solving low-frequency electrical grounding problems. The electromagnetic model of the grounding system is developed from the application of the current injection technique directly at the defect point as a way of excitation the grounding electrode. Initially, the main characteristics of meshless method and its general concepts are presented. Then, the formulation of the problem to calculate the ground resistance and determination of the potential distribution for an electrode inserted in homogeneous soil will be developed, as well as in a heterogeneous soil stratified in two and three layers. For the implementation of the electromagnetic model, a computational tool was developed using the MATLAB environment. The results obtained through the application of the meshless method are compared with values generated by MoM, demonstrating the validity and precision of the developed technique.

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  • DAIANE CONCEICAO RAFAEL
  • Análise do Desempenho de Aterramentos de Turbinas Eólicas Frente a Descargas Atmosféricas.

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CLAUDIA REJANE DE MESQUITA
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • ROSILENE NIETZSCH DIAS
  • Data: 25/04/2018
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  • Mostrar Resumo
  • Esta dissertação é dedicada ao estudo da resposta transitória de aterramentos
    elétricos de turbinas eólicas frente a descargas atmosféricas e do impacto do fenômeno
    de dependência da frequência dos parâmetros elétricos do solo nessa resposta. Essa
    resposta é avaliada por meio de simulações computacionais empregando-se um rigoroso
    modelo eletromagnético, validado com resultados experimentais, e considerando
    condições típicas do Brasil em termos de valores de resistividade elétrica e ondas de
    corrente de descargas atmosféricas. De acordo com os resultados, dada a natureza
    concentrada de arranjos de aterramento típicos de aerogeradores, eles apresentam
    comportamento predominantemente capacitivo, considerando-se resistividades igual ou
    superior a 300
    m. Mostra-se que as elevações de potencial nas terminações de terra
    podem ser bastante severas, particularmente no caso de solos de resistividade elevada e
    incidência de primeiras descargas de retorno; nesses casos, medidas complementares
    podem ser necessárias no sistema de aterramento. Ainda de acordo com os resultados, o
    fenômeno da dependência da frequência dos parâmetros do solo é responsável pela
    redução dos níveis de elevação de potencial no aterramento, da impedância impulsiva e
    do coeficiente de impulso, sendo que tais reduções são mais significativas para solos de
    maior resistividade e para correntes de descargas subsequentes. Finalmente, mostra-se
    que, para dimensões típicas de sistemas de aterramentos de turbinas eólicas, considerando
    resistividades igual ou superior a 300
    m e parâmetros do solo dependentes da
    frequência, o desempenho impulsivo do aterramento de um aerogerador individual é
    melhor do que o seu desempenho em baixa frequência (impedância impulsiva menor do
    que a resistência de aterramento)



  • Mostrar Abstract
  • This master thesis is dedicated to the study of the transient response of grounding
    systems of wind turbines and also to the impact of the frequency dependence of the
    electrical parameters of soil on this response. The transient behavior of the grounding
    systems is determined by means of computational simulations using a rigorous
    electromagnetic model, validated with experimental results, and considering typical
    conditions of Brazil in terms of values of soil resistivity and lightning current waves.
    According to the results, due to the concentrated nature of typical grounding arrangements
    of wind turbines, they have a predominantly capacitive behavior, considering values of
    soil resistivity equal to or larger than 300
    m. It is shown that the grounding potential
    rises in the earth terminations can be quite severe, especially in the case of high resistivity
    soils and incidence of first stroke currents; in such cases, additional measures may be
    required to improve the performance of the grounding system. It is shown that the
    frequency dependence of soil is responsible for decreasing the grounding potential rise of
    the grounding system and, thus, their impulse impedance and their impulse coefficient.
    This effect is more pronounced with increasing the low-frequency soil resistivity and for
    typical currents of subsequent strokes. Finally, it is shown that, for typical wind turbine
    grounding system dimensions, and considering values of soil resistivity equal to or larger
    than 300
    m and frequency-dependent soil parameters, the impulse performance of an
    individual wind turbine grounding system is better than its low-frequency performance
    (impulse impedance lower than low-frequency grounding resistance)


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  • FABIANO SILVEIRA BICALHO
  • Sistema Rectenna para Carregamento de uma Bateria LI-ION*

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FERNANDO JOSÉ DA SILVA MOREIRA
  • GLAUCIO LIMA SIQUEIRA
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 07/05/2018
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  • Nos últimos anos, a tecnologia de* rectennas *vem recebendo uma atenção crescente de pesquisadores devido a ampliação das possibilidades de sua aplicação no suprimento de energia para as atuais cargas com baixíssimo nível de consumo energético. Dentro desse contexto, este trabalho apresenta uma investigação teórica e experimental acerca da utilização da tecnologia de *rectenna *com o objetivo de carregar eletricamente um modelo de bateria amplamente utilizado em aparelhos eletrônicos, a bateria de Íons de Lítio
    (Li-Ion). Inicialmente é realizada uma ampla revisão bibliográfica sobre o tema para subsidiar as investigações conduzidas ao longo deste trabalho.  O processo de modelagem da *rectenna* foi iniciado pela otimização do conjunto retificador mais carga utilizando o *software* ADS® (Advanced Design Software). Foram manufaturados diferentes protótipos de circuito retificador operando nas frequências de 2,45 e 1,80 GHz e um circuito capaz de operar em ambas as frequências simultaneamente. Um circuito conversor CC-CC *booster *também foi investigado de forma a possibilitar a operação da *rectenna* a partir de níveis baixos de potência de entrada. Neste
    trabalho, foram empregadas antenas tipo retangulares impressas, simuladas no *software* CST® (*Computer Simulation Technology*) e conectadas ao retificador. As dimensões das antenas foram otimizadas de forma a se obter valores do parâmetro S11 abaixo de -10 dB e a maior diretividade possível de forma a possibilitar uma maior coleta da energia eletromagnética. Foram também projetadas e manufaturadas duas lentes eletromagnéticas para compor a *rectenna,* baseadas na tecnologia de metamaterial, de forma a promover uma coleta superior de energia. Por fim, as *rectennas *foram submetidas a testes operacionais de carregamento da bateria de Íons de Lítio. As *rectennas* foram conectadas em paralelo no bloco de corrente contínua dos circuitos com objetivo de se obter o máximo fornecimento de corrente para a bateria.


  • Mostrar Abstract
  • In the last years rectennas technology has received increasing attention of researchers due to the extension of the possibilities of its application in the supply of energy for the current loads with very low level of energy consumption. In this context, this work presents a theoretical and experimental investigation about the use of rectenna technology with the objective of electrically charging a battery model widely used in electronic devices, the Li-Ion battery. Initially a broad bibliographic review on the subject is carried out to support the investigations conducted in this work. The rectenna modeling process was started by optimizing the rectifier with the load using the ADS® software. Different prototypes of the rectifier circuit were manufactured, operating at the frequencies of 2.45 and 1.80 GHz and a circuit capable of operating at both frequencies simultaneously. A DC-DC booster converter circuit has also been investigated in order to enable rectenna operation from low input power levels. In this work, printed antennas were used, simulated in the software CST®(Computer Simulation Technology) and connected to the rectifier. The dimensions of the antennas were optimized in order to obtain values ??of parameter S11 below -10 dB and the highest possible directivity in order to allow a larger collection of the electromagnetic energy. Two electromagnetic lenses were designed and manufactured to compose the rectenna, based on metamaterial technology, in order to promote a superior collection of energy. Finally, the rectennas were subjected to operational tests of charge of the Lithium Ion battery. The rectennas were connected in parallel in the DC of the circuits in order to obtain the maximum supply of current for the battery.

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  • RAPHAEL FREDIANI SOARES
  • Síntese de controladores PI multivariáveis centralizados e esparsos

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MÁRCIO FANTINI MIRANDA
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • Data: 21/06/2018
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  • Neste trabalho é investigada e avaliada a síntese de controle PI centralizado e esparso para sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas, principalmente sistemas não quadrados, e com múltiplos atrasos de tempo, visando o desempenho da resposta de rastreamento e o desacoplamento entre as malhas de controle. A formulação do problema de controle se dá como um problema de otimização não linear no espaço dos parâmetros dos controladores PI, com múltiplos objetivos de controle, considerando a aproximação de modelo de referência ℋ∞ . Os objetivos de controle adicionais que podem ser tratados são a rejeição a perturbações, minimização do esforço de controle e/ou atenuação de ruídos de medição. É proposta uma abordagem para a obtenção dos parâmetros do modelo de referência também baseada em otimização não linear. A metodologia de síntese considera o algoritmo evolução diferencial para resolver o problema de otimização proposto. A efi ciência dos controladores projetados é posta à prova em exemplos ilustrativos contendo processos não quadrados cujos controladores foram projetados utilizando outra metodologia. Demonstra-se que resultados melhores podem ser obtidos utilizando a abordagem proposta neste trabalho quando comparados aos outros métodos baseados em procedimentos analíticos.


  • Mostrar Abstract
  • In this work, the centralized and sparse PI control synthesis is investigated and evaluated for multiple inputs and multiple outputs systems, mainly non-square systems, and with multiple delay times, aiming tracking response performance and decoupling among control loops. The formulation of the control problem is based on a nonlinear optimization problem in the space of the PI controller parameters, with multiple control objectives, considering the ℋ ∞ reference model approximation. The additional control objectives that can be considered are disturbance rejection, control eff ort minimization and/or measurement noise attenuation. It is also proposed an approach to obtain the parameters of the reference model based on nonlinear optimization. The synthesis methodology considers the diff erential evolution algorithm for solving the proposed optimization problem. The effi ciency of the designed controllers is tested in illustrative examples containing non-square processes whose controllers were designed using another methodology. It is demonstrated that better results can be achieved using the approach proposed in this work when compared to the other methods based on analytical procedures.

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  • SHIRLENY PEDROSA FREITAS
  • Comparação Entre Topologias de Emulador Fotovoltaico para Testes de Inversores.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • HÉLIO MARCOS ANDRÉ ANTUNES
  • LEONARDO BONATO FELIX
  • VICTOR FLORES MENDES
  • Data: 06/07/2018
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  • A energia fotovoltaica tem ganhado destaque no contexto atual de geração de energia. O elemento fundamental de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica é o conversor eletrônico. Para que possam ser comercializados, os conversores eletrônicos devem ser testados, certificados de acordo com as normas vigentes e receber o selo de conformidade do INMETRO. No processo de certificação, é utilizado um equipamento conhecido como emulador de módulos fotovoltaicos. Este trabalho tem como objetivo apresentar as modelagens e estruturas de controle de três topologias de emuladores de gerador fotovoltaico, são elas, emulador baseado em circuito de Thévenin, convesor buck com barramento cc constante e em retificador PWM e conversor buck. Além disso, realizar uma análise de desempenho das topologias conectadas a um inversor fotovoltaico, a diferentes condições ambientais e resposta transitória; análise da eficiência dinâmica e instantânea do MPPT e uma análise de perdas e eficiência de cada topologia. Os emuladores de gerador fotovoltaico estudados neste trabalho possuem capacidade para testar inversores monofásicos e trifásicos com potência de 10 kW. Esse valor foi definido baseado na Portaria n°004, de 4 de janeiro de 2011, essa faixa de potência abrange a maioria dos inversores comercializados para aplicações residenciais. Os resultados apresentados mostram que as topologias de gerador fotovoltaico apresentadas são capazes de emular o comportamento de um arranjo fotovoltaico durante variações de radiação solar e temperatura. A topologia baseada em conversor buck é a que apresentar maior eficiência. Contudo, a utilização de cada topologia dependerá do objetivo do operador, pois cada uma apresenta pontos positivos e negativos para diferentes aplicações.


  • Mostrar Abstract
  • Photovoltaic energy has stood out in the current context of energy generation. The fundamental element of a photovoltaic system connected to a electric grid is the electronic converter. In order to be marketed, the electronic converters must be tested, certified according to current standards and receive the INMETRO seal of compliance. In the certification process, an equipment known as emulator of photovoltaic modules is used. This work aims to present the modeling and controlling structures of three topologies of emulators of photovoltaic generator, they are, emulator based on circuit of Thevenins, converter buck with bus constant cc and in rectifier PWM and converter buck. In addition, realize a performance analysis of the topologies connected to a photovoltaic inverter, in different environmental conditions and transient response; analysis of the MPPT dynamic and instantaneous efficiency and the loss and efficiency analysis of each topology. The photovoltaic emulators studied in this work have the capacity to test single-phase and three-phase inverters with a power of 10 kW. This value was defined based on Ordinance n° 004 of January 4, 2011, this power range covers the majority of the inverters sold for residential applications. The results show that the photovoltaic generator topologies presented are able to emulate the behavior of a photovoltaic array during solar irradiation and temperature variations. The topology based on buck converter presents the highest efficiency. However, the use of each topology will depend on the operator's objective once each one of them has both positive and negative points for different applications.

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  • Diego Carlo Corrêa
  • Transmissão de Energia sem Fio Utilizando Acoplamento Magnético Ressonante Forte e Metamateriais

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Gláucio Lopes Ramos
  • ROSE MARY DE SOUZA BATALHA
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 09/07/2018
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  • Neste trabalho é realizado um estudo teórico, numérico e experimental de um sistema compacto para transmissão de energia elétrica sem a utilização de fios. O sistema investigado emprega bobinas com forte acoplamento magnético ressonante. As bobinas que compõem o sistema são impressas em substrato de FR4 com dimensões de 10 cm x 10 cm. Seus parâmetros geométricos são otimizados de forma a maximizar o fator de qualidade e consequentemente a eficiência do sistema de transmissão. Este trabalho propõe ainda o projeto de um oscilador ressonante que pode ser conectado à rede de distribuição de energia de forma a viabilizar o funcionamento do sistema em aplicações práticas fora do ambiente de laboratório. A literatura especializada, entretanto, adverte quanto a redução exponencial da eficiência e da potência com o aumento da distância de transmissão; neste sentido, este trabalho investiga técnicas para superação desta limitação como a inclusão de bobinas retransmissoras e o emprego de materiais especiais conhecidos como Metamateriais


  • Mostrar Abstract
  • This work presents a theoretical, numerical and experimental study of a compact wireless power transfer system. The investigated system employs coils with strong resonant magnetic coupling. These coils are printed on FR4 substrate with dimensions of 10 cm x 10 cm. Its geometric parameters are optimized in order to maximize the quality factor and consequently the efficiency of the transmission system. This work also proposes the design of a resonant oscillator that can be connected to the power distribution network allowing practical applications outside the laboratory environment. The specialized literature, however, warns about the exponential reduction of efficiency and power with the increase of the transmission distance; in this sense, this work investigates techniques to overcome these disadvantages as the inclusion of retransmitting coils and the use of special materials known as Metamaterials

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  • MARCOS ALBERTO SALDANHA
  • Contribuição à modelagem de pequenos sinais e à estabilidade do paralelismo sem comunicação de inversores.

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • RUBENS MARCOS DOS SANTOS FILHO
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • MARCOS PÊGO DE OLIVEIRA
  • PORFÍRIO CABALEIRO CORTIZO
  • Data: 10/08/2018
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  • As Fontes de Energia Ininterrupta ou Uninterruptible Power Supplies (UPS) são equipamentos utilizados para fornecer energia de forma contínua e de alta qualidade a sistemas críticos como os de suporte à vida e de transportes. As UPSs elevam a confiabilidade do fornecimento de energia a níveis superiores aos obtidos nas redes das concessionárias. Porém, assim como qualquer equipamento eletrônico, as UPSs estão sujeitas a falhas. Uma das soluções utilizadas para diminuir a incidência de falhas é introduzir redundância no sistema. No caso das UPSs, isso é realizado através da associação de diversas unidades em paralelo. Esse é o assunto abordado neste trabalho. Mais especificamente, ele se concentra no estudo da melhoria da estabilidade e da simplificação do modelo de pequenos sinais do paralelismo de UPSs sem comunicação, ou seja, que utiliza apenas variáveis locais para o controle das potências. Cada um dos subsistemas presentes na implementação do paralelismo sem comunicação utilizando método droop é analisado em detalhes. O impacto nos autovalores e nos amortecimentos foi investigado utilizando frequências de corte diferentes nos filtros de medição das potências ativa e reativa na presença e ausência de função Power System Stabilizer (PSS). As técnicas propostas são validadas através de simulações e resultados experimentais.


  • Mostrar Abstract
  • Uninterruptible Power Supplies (UPS) are equipment used to provide continuous and high quality power in critical systems such as life support systems and transportation systems. UPS increase the reliability of power supply to levels higher than those achieved in utility networks. However, like all electronic equipment, UPS are subject to failures. Thus, reliability can be enhanced by applying redundancy when performing a UPS connection in parallel. The present work focuses on the study of the stability enhancement and simplification of the small signals model to the parallelism of UPS without communication, that is, it uses just local variables for power control. Each of the subsystems present in the implementation of parallelism without communication using droop method is analyzed in detail. The impact on eigenvalues and damping was investigated using different cut-off frequencies in the active and reactive power measurement filters in the presence and absence of a Power System Stabilizer (PSS). The proposed techniques are validated through simulations and lab tests.

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  • Víctor Clévio de Barros
  • Comparação de Controladores Ressonante e Repetitivo Para Compensação de Correntes Harmônicas em Inversores Fotovoltaicos.


  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • GIOVANI GUIMARAES RODRIGUES
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • VICTOR FLORES MENDES
  • Data: 21/09/2018
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  • A partir dos anos 70, o mundo percebeu sua enorme dependência por combustíveis fosseis. Nos anos posteriores, buscou-se tornar viáveis outras fontes de energias, principalmente renováveis. Neste contexto, sistemas fotovoltaicos começaram a ser desenvolvidos, como uma forma alternativa de geração de energia. Os sistemas fotovoltaicos não são totalmente utilizados em boa parte do dia e não são utilizados no período noturno. Assim, esses sistemas podem ser aproveitados nesses momentos para compensar correntes harmônicas indesejadas da rede elétrica, provenientes de cargas não lineares. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo comparativo com o controlador proporcional multi-ressonante e o controlador repetitivo, empregados em sistemas fotovoltaicos monofásicos conectados à rede elétrica durante a compensação de correntes harmônicas. As simulações propostas utilizam uma estrutura adaptativa de detecção de correntes harmônicas presente na rede elétrica. Para a detecção, são utilizadas estruturas SOGI (Second Order Generalized Integrator) e SRF-PLL (Synchronous Reference Frame- Phase Locked Loop) em cascata. O sistema utilizado foi projetado para um inversor de 4 kW, e para à compensação de correntes harmônicas de 3ª e 5ª ordem. O estudo possui três objetivos principais: avaliar o desempenho do Controlador Proporcional Multi-Ressonante na compensação de correntes harmônicas; avaliar o desempenho do Controlador Repetitivo na compensação de correntes harmônicas; e, por fim, comparar a capacidade de compensar correntes harmônicas de cada um desses controladores.


  • Mostrar Abstract
  • From the 1970s, the world realized its enormous dependence on fossil fuels. In the following years, other sources of energy, mainly renewable, were made viable. In this context, photovoltaic systems began to be developed as an alternative form of energy generation. Photovoltaic systems are not fully utilized for much of the day and are not used at night time. Thus, these systems can be used in these moments to compensate for unwanted harmonic currents of the electric power system, coming from non-linear loads. In this context, this work presents a comparative study on proportional resonant and repetitive controllers used in single-phase photovoltaic systems connected to the power system during the harmonic current compensation. The proposed simulations use an adaptive harmonic current detection structure. For the detection, Second Order Generalized Integrator (SOGI) and SRF-PLL (Synchronous Reference Frame-Phase Locked Loop) structures are used in cascade. The system used was designed for an inverter of 4 kW, and for the compensation of harmonic currents of 3ª and 5ª orders. The study has three main objectives: to evaluate the performance of the Multi-Resonant Proportional Controller in the compensation of harmonic currents; to evaluate the performance of the Repetitive Controller in the compensation of harmonic currents; and, finally, to compare the ability to compensate harmonic currents of each of these controllers.

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  • Lourdes Aparecida Mendes
  • COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO DOS CONVERSORES BUCK ENTRELAÇADO DE TRÊS FASES E BUCK BASEADO NA CÉLULA DE COMUTAÇÃO DE QUATRO ESTADOS.

  • Orientador : FERNANDO LESSA TOFOLI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FERNANDO LESSA TOFOLI
  • ANIEL SILVA DE MORAIS
  • SAMIR ANGELO MILANI MARTINS
  • Data: 15/10/2018
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  • O presente trabalho aborda o estudo comparativo de dois conversores CC-CC não isolados para aplicações em altas potências e altas correntes, isto é, os conversores buck entrelaçado de três fases e buck baseado na célula de comutação de quatro estados. Analisa-se a operação em modo de condução contínua para um ponto de operação no qual a razão cíclica encontra-se entre 2/3 e 1. São realizadas as análises qualitativa e quantitativa adequadamente, permitindo o dimensionamento dos componentes do estágio de potência, como indutor(es) de filtro, capacitor de filtro de saída, interruptores e diodos. Os projetos são validados por simulação, obtendo-se formas de onda para circuitos ideais e com perdas, considerando assim os componentes reais devidamente dimensionados. Os resultados são analisados em detalhes, visando identificar as principais vantagens e limitações das topologias. Como características gerais dos conversores estudados, pode-se destacar que a frequência de operação dos filtros é três vezes maior que a frequência de comutação e que a corrente nos semicondutores é um terço do valor existente nos semicondutores dos conversores clássicos. Desse modo, é possível obter uma redução significativa do tamanho, peso e volume, bem como uma melhor resposta dinâmica.


  • Mostrar Abstract
  • This work presents the comparative study regarding two nonisolated dc-dc converters for high-power, high-current applications, i.e., the three-phase interleaved buck converter and the buck converter based on the four-state switching cell. The operation in continuous conduction mode is analyzed for an operating point where the duty cycle is between 2/3 and 1. The qualitative and quantitative analyzes are properly developed, thus allowing the accurate design of the power stage elements, which include the filter inductor(s), output filter capacitor, switches, and diodes. The design is validated by simulation, where waveforms are obtained for ideal and nonideal circuits considering real components defined in the design procedure. The results are analyzed in detail, aiming to identify the main advantages and limitations of the topologies. As general characteristics of the studied converters, it can be stated that the operating frequency of the filter elements is three times higher than the switching frequency, as the current through the semiconductors is one third of that regarding the elements of the classical converters. Thus it is possible to achieve significant reduction of size, weight, and volume, as well as improved dynamic response.

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  • MARIELLA MAIA QUADROS
  • Controladores PI Híbridos Adaptativos Robustos para Regulação.

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JEFERSON VIEIRA FLORES
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • SOPHIE TARBOURIECH
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 24/10/2018
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  • Neste trabalho são propostos controladores PI híbridos com adaptação no valor de reiniciação, visando o controle de sistemas lineares incertos, com seguimento de referência e rejeição de perturbações do tipo constante por partes. Geralmente, as características desejadas para a resposta de um sistema controlado são pequenos tempos de subida e acomodação e baixo valor de sobressinal. Porém, ao utilizar controladores lineares, torna-se uma tarefa difícil obter um controlador que atenda a todas essas especificações simultaneamente. Por outro lado, essa limitação pode ser contornada pelos controladores híbridos, em que um melhor desempenho pode ser alcançado. Entretanto, a maioria dos controladores híbridos encontrados na literatura não são robustos a erros de modelagem e não são capazes de rejeitar perturbações. De modo a contornar esses problemas, primeiramente é elaborado um controlador PI adaptativo robusto (PIHA), que tem o valor de reiniciação do integrador adaptado ao longo do tempo. Em seguida, é proposto um controlador PI híbrido adaptativo com procedimento de plug-in (PIHP), que por meio de um estado adicional, não altera a estrutura original do PI linear e que apresenta comportamento semelhante ao PIHA. Para todos esses casos, são propostas condições para assegurar a estabilidade robusta da malha fechada hı́brida. Além disso, são desenvolvidas estratégias para implementação dos controladores com reiniciação de forma discreta e estudada a utilização do preditor de Smith no caso de sistemas com atraso na entrada. A utilização de controladores PI híbridos requer que a sintonia dos controladores sigam diretivas diferentes das utilizadas no caso linear. Para tratar essa característica, são propostas diretrizes para sintonia de controladores PI híbridos para diversos modelos de processos industriais. Por último, os controladores e estratégias abordados são implementados em um sistema de tanques e em um sistema térmico, para análise e comparação quantitativa dos resultados. Assim, por meio de simulações e implementações práticas, pode-se dizer que no geral, os controladores híbridos podem apresentar desempenho bastante superior aos seus respectivos controladores lineares clássicos do tipo PI, tanto para seguimento de referência quanto para rejeição de pertubação.


  • Mostrar Abstract
  • In this work hybrid PI controllers with adaptation in the reset value are proposed, aiming the control of uncertain linear systems, with reference tracking and perturbation rejection of the piecewise constant type. Generally, the desired characteristics for the response of a controlled system are small rise time and settling time and low overshoot value. However, when using linear controllers, it becomes a difficult task to obtain a controller that meets all of these specifications simultaneously. On the other hand, this limitation can be circumvented by the hybrid controllers, in which a better performance can be achieved. However, most of the hybrid controllers found in the literature are not robust to modeling errors and are not capable of rejecting disturbances. In order to circumvent these problems, a robust adaptive PI controller (PIHA) is first developed, which has the integrator reset value adapted over time. Next, an adaptive hybrid PI controller with plug-in procedure (PIHP) is proposed, which, by means of an additional state, does not change the original structure of linear PI and presents similar behavior to PIHA. For all these cases, conditions are proposed to ensure the robust stability of the hybrid closed loop.

    In addition, strategies are developed to implement the reset controllers discretely and the use of the Smith predictor was studied in the case of systems with input delay. The use of hybrid PI controllers requires that the tuning of controllers follow different directives from those used in the linear case. To address this characteristic, guidelines are proposed for the tuning of hybrid PI controllers for various industrial process models. Finally, the controllers and strategies addressed are implemented in a tanks system and in a thermal system, for analysis and quantitative comparison of the results. Thus, through simulations and practical implementations, it can be said that, in general, the hybrid controllers can perform much better than their respective classical linear controllers of the PI type, both for reference and for disturbance rejection.

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  • MATEUS ANDRADE FERREIRA
  • Avaliação do Desempenho do Relé de Distância em Linhas de Transmissão com Compensação Série Controlada por Tiristor

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • CLEVER SEBASTIÃO PEREIRA FILHO
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 08/11/2018
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  • Mostrar Resumo
  • Este trabalho tem como propósito apresentar a avaliação do desempenho da função de distância do relé de proteção quando aplicado em linhas de transmissão com compensação série fixa e controlada por TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor). Este tipo de proteção tem seu funcionamento baseado na impedância da linha, portanto é afetada por problemas relacionados a compensação série. São apresentadas as principais características de funcionamento deste tipo de compensação com maior ênfase no sistema controlado. Também são apontados os efeitos mais comuns da compensação série no funcionamento da proteção de distância. A maioria destes efeitos estão relacionados com a mudança na impedância da linha protegida, no entanto também tem relação com outros fenômenos, como transitórios e pela atuação de sistemas de proteção dos capacitores. Para a avaliação proposta foi desenvolvida uma montagem prática de linha de transmissão com tensão reduzida, assim como um módulo de TCSC trifásico que permite compensar a linha em até 40%. Estão descritos ensaios em que foram simulados diferentes tipos de faltas com diversas características de compensação em um ponto específico do sistema proposto. Durante os testes as tensões e correntes do sistema são amostrados por meio de uma placa de aquisição de dados e posteriormente processados em um algoritmo, desenvolvido no software Matlab, que simula a função de proteção de distância de característica MHO de um relé. Uma simulação computacional com características semelhantes à da abordagem prática foi desenvolvida no software Simulink para validação dos resultados. Por fim, são apresentadas as conclusões da análise.


  • Mostrar Abstract
  • The purpose of this dissertation is to present a performance evaluation of the protection relay distance function when applied in series compensated transmission lines. This type of protection has its operation based on line impedance, so it is affected by problems related to series compensation. The main operating characteristics of this type of compensation are presented with greater emphasis on the controlled system (TCSC). It’s also mentioned the most common effects of series compensation in the operation of the distance protection. These effects are not only related to the change in impedance of the protected line, but also with other phenomena, such as transients and the operation of capacitor protection systems. For the proposed evaluation a practical transmission line assembly was developed with reduced voltage, as well as a three-phase TCSC module that allows to compensate the line by up to 40%. There are described tests in which different types of faults with different compensation characteristics were simulated at a specific point in the proposed system. During the tests, the voltages and currents of the system are sampled by means of a data acquisition board and later processed in an algorithm, developed in Matlab software, which simulates the MHO characteristic distance protection function of a relay. A simulation with similar characteristics to the practical approach was developed in Simulink software to validate the results. Finally, the conclusions of the analysis are presented.

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  • RENAN CAMPOS SEGANTINI
  • Comportamento de Malhas de Aterramento de Subestação de Energia frente a Descargas Atmosféricas: Ênfase na Avaliação de Técnicas de Melhoria do Desempenho Impulsivo por meio de Múltiplos Pontos de Injeção de Corrente

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CLAUDIA REJANE DE MESQUITA
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • MIGUEL DE BRITO GUIMARAES NETO
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 11/12/2018
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  • As malhas de aterramento, arranjo de eletrodos comumente utilizado em subestações de energia elétrica, que em geral assumem grandes dimensões, são projetadas segundo

    normas vigentes que levam em consideração apenas solicitações de baixa frequência. No entanto, essas malhas podem ser submetidas a correntes impulsivas advindas de descargas atmosféricas que incidem em cabos de blindagem de linhas próximas à subestação ou mesmo diretamente na subestação. Nesse caso, é importante a adoção de técnicas complementares ao projeto da malha para solicitações lentas, com o intuito de adequar o seu desempenho também a fenômenos impulsivos. Este trabalho se dedica ao estudo do comportamento impulsivo de malhas de aterramento de subestação e à proposição de técnicas de melhoria do desempenho de tais malhas frente a correntes de descargas atmosféricas. Utilizou-se uma modelagem computacional para malhas de aterramento que inclui a dependência da frequência dos parâmetros elétricos do solo, os fenômenos de propagação, os acoplamentos eletromagnéticos e, adicionalmente, que permite a injeção simultânea de corrente em distintos nós da malha. A partir da aplicação desse modelo, gera-se ume extenso conjunto de resultados do comportamento impulsivo de uma malha típica de aterramento de subestação. De acordo com os resultados, o desempenho impulsivo da malha é sensivelmente influenciado pelo ponto de injeção de corrente: quanto maior a área efetiva no entorno do ponto de injeção, melhor é o desempenho impulsivo. Mostra-se que a distribuição da corrente de descarga por meio de múltiplas terminações de terra melhora de forma significativa o desempenho impulsivo da malha de aterramento.


  • Mostrar Abstract
  • The grounding grids, arrangement of electrodes commonly used in electrical power substations, which generally assume large dimensions, are designed according to Standards which take into account only slow occurrences. However, such grounding grids can be subjected to impulse currents associated with lightning that might strike shielding wires of lines near the substation or even directly in the substation. In this case, it is important to adopt complementary techniques in order to improve the impulse

    performance of the grounding grid. This work is dedicated to the study of the impulse

    behavior of substation grounding grids and the proposition of techniques to improve their impulse performance. To this aim, a computational model for simulating grounding grids is developed, including the frequency dependence of electrical parameters of soil, propagation phenomena, electromagnetic couplings and, in addition, the possibility of simultaneous injection of current into distinct nodes of the grid. From the application of the developed model, an extensive set of results of the impulse behavior of a typical substation grounding grid is obtained. According to the results, the impulse performance of the grid strongly depends on the current injection point: the larger the effective área around the injection point, the better the impulse performance. It is shown that the distribution of the lightning current through multiple earth terminations significantly improves the impulse performance of the grounding grid

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  • LEONARDO BRUNO LOPES
  • Análise do Espalhamento Eletromagnético Bidimensional Utilizando o Método IEFG e PML Uniaxial.

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • MARCO AURELIO DE OLIVEIRA SCHROEDER
  • Data: 17/12/2018
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  • A modelagem matemática de problemas de engenharia geralmente envolve o emprego de uma ou mais equações algébricas, diferenciais ou integrais. Determinar uma solução analítica é possível apenas para uma pequena parte desses problemas; na maior parte dos casos, é um processo extremamente complexo ou até impossível. Nestes casos é necessário utilizar técnicas numéricas computacionais que calculem soluções aproximadas. Uma importante classe dessas técnicas é a classe dos métodos sem malha ou meshless, cujo funcionamento, diferentemente de métodos como o de elementos finitos ou de diferenças finitas, não dependem da criação de malhas. Para a representação discreta do problema utilizam um conjunto de nós distribuídos ao longo domínio e das suas fronteiras sem requerer, no entanto, que qualquer relação entre estes nós seja estabelecida.

     

    Métodos sem malha já foram aplicados com sucesso na solução de problemas de eletromagnetismo, tanto em baixas quanto em altas frequências, inclusive problemas de propagação de ondas. Os problemas de propagação como o do espalhamento eletromagnético são, em geral, problemas abertos ou ilimitados e a sua solução numérica exige a aplicação de alguma técnica de limitação do domínio computacional. As condições de contorno absorventes (ABCs), tradicionalmente utilizadas para esta finalidade, tem sido recentemente substituídas por técnicas baseadas no conceito de camadas perfeitamente casadas, ou PML. Dentre as diversas variações de PML existentes, destaca-se a PML uniaxial (UPML), desenvolvida a partir da interpretação física do conceito de PML originalmente proposto. Nessa abordagem, o domínio é envolvido em camadas de um material anisotrópico fictício cujas caraterísticas são projetadas para que as camadas se comportem como um absorvedor eficiente perfeitamente casado com o material do domínio. A UPML limita o domínio simulando, contudo, o comportamento de uma onda que se propaga num meio ilimitado.

     

    Este trabalho analisa o problema do espalhamento eletromagnético em duas dimensões, suas definições e seu equacionamento matemático. Analisa também o método sem malha IEFG (ou método de Galerkin interpolante livre de elemento), suas características, fundamentação matemática e formulação. O problema do espalhamento de uma onda plana por um cilindro condutor infinito na direção z é então solucionado pela técnica numérica combinada IEFG-UPML. A análise da técnica proposta é realizada, primeiramente, na forma de análises paramétricas do método IEFG e da UPML. Em seguida, avalia-se o desempenho do método e a precisão das soluções geradas aplicando-se os parâmetros determinados na solução do espalhamento por cilindros de diferentes dimensões. Utilizam-se nessas análises comparativas a solução analítica e a solução numérica obtida pelo método IEFG-ABC em que o domínio é limitado pela condição absorvente de Bayliss-Turkel de primeira ordem.


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  • The mathematical modeling of engineering problems often involves the use of one or more algebraic, differential or integral equations. However, it is possible to determine an analytical solution only for a small part of these problems. In most of the cases, it is an extremely complex or even impossible proccess. In these cases it is necessary to use computational numerical techniques in order to obtain approximated solutions for such problems. An important class of numerical techniques is the class of the meshless methods. These methods, differently from finite element or finite difference methods, does not rely on meshes. For the discrete problem domain representation they use a cloud of nodes scattered all over the domain and its boundaries, not requiring any relation to be stablished between the nodes.

     

    Meshless methods have already been successfully employed in the solution of electromagnetism problems, both in low and high frequencies, including wave propagation problems. Propagation problems like electromagnetic scattering are in general open or unlimited problems and its numerical solution demands the employement of some domain limitation thecnique. Absorbing boundary conditions, that were traditionally used to limit domains, have been replaced by newer thecniques based on the perfect matched layers concept, the PML. Among the several existing PML variations, stands out the Uniaxial PML (UPML), which was developed from the physical interpretation of the PML originally proposed concept. According to this approach the domain is surrounded by layers of an anisotropic fictious material whose characteristics are specially designed so the layers acts as an efficient absorber perfectly matched to the domain medium. The UPML limits the domain yet simulating the unbounded wave propagation.

     

    This work investigates the bidimentional electromagnetic scattering problem, its definitions and mathematical modeling. It also analyses the IEFG (interpolating element-free Galerkin) meshless method, its characteristics, mathematical background and formulation. The plane wave scattering by a z-infinite conducting circular cylinder is solved by the combined IEFG-UPML numerical technique. Analysis of the proposed technique is firstly done in the form of a parametric analysis of the IEFG and UPML methods. Then, the method performance and the accuracy of the solutions generated by the new parameters set are evaluated while solving the scattering by cylinders of bigger dimensions. The analytical solution and the numerical solutions generated by the IEFG-ABC method – with a first order Bayliss-Turkel absorbing condition – are used in this comparative analysis.

     

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  • SUZANNE EMANUELLE TAVARES
  • Estudo e Implementação de um Sistema de Controle de Tensão em uma Microrrede CC

  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • SÍLVIA COSTA FERREIRA
  • Data: 20/12/2018
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  • Recentemente, muito se tem falado sobre as vantagens da inserção da Geração Distribuída (GD) no sistema de distribuição. Entretanto, em grande escala, sua aplicação apresenta alguns desafios tornando o sistema complicado de se controlar. Uma alternativa que tem sido apontada como solução para este problema é o conceito de Microrrede.

     

    Micorrede é definida como agregação de cargas e fontes de baixa potência no fornecimento de energia, podendo operar de modo ilhado ou conectado à rede principal. Podem operar em corrente alternada (CA) ou em corrente contínua (CC). A utilização de CC em microrredes é crescente e apresenta vantagens na integração de cargas CC, armazenadores de energia e fontes para cogeração que necessitem de conversão eletrônica, podendo estas ser fontes de energia renováveis, além de não se fazer necessário o controle de frequência ou fase e potência reativa.

     

    Porém, esta simplificação não isenta a microrrede de problemas de estabilidade, que estão relacionados com a necessidade de conversão de energia, a fim de alcançar níveis de tensão diferentes para os vários dispositivos da rede. Estes conversores introduzem efeitos desestabilizadores no sistema, levando a microrrede a exibir oscilações significativas na tensão do barramento CC. O controle do conversor é, portanto, a principal preocupação na operação de uma microrrede.

     

    Este trabalho apresenta uma microrrede CC operando em modo ilhado. Um controlador é projetado com o objetivo de minimizar o transitório e estabilizar a tensão da rede diante a variação de cargas e entrada/saída de unidades geradoras. A análise é verificada através de simulações em Matlab/Simulink e uma bancada experimental foi montada a fim de comprovar os resultados obtidos.


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  • Recently, a lot have been talked about the advantages of the insertion of Distributed Generation (DG) in the distribution system. However, in a large scale, its application presents some challenges making the system difficult to control. An alternative that has been suggested as a solution to this problem is the concept of microgrid.

     

    Microgrid is defined as aggregation of charges and sources of low power in the energy supply; it may operate in island mode or connected to the main power. It can operate with alternating current (AC) or with direct current (DC). The use of DC systems is increasing and presents advantages in integrating DC loads, energy and source storage for cogeneration and requires electronic conversion. These can be sources of renewable energy and additionally avoids the control of frequency or phase and reactive power.

     

    However, this simplification doesn't eliminate stability problems in the microgrid, which are related to the need of energy conversion, in order to achieve different voltage levels for several power devices. These converters introduce a destabilizing effect on the system, leading the microgrid to show significant oscillations in the DC bus voltage. The converter control is, therefore, the primary concern in operating a microgrid.

     

    This work presents a DC microgrid operating in island mode. Controllers are designed with the objective of minimizing the transient and stabilizes the power voltage under load variations and conection/disconnection of generating units. The analysis is verified by simulations in Matlab/ Simulink and an experimental bench was built in order to verify the obtained results.

2017
Dissertações
1
  • FERNANDA CRISTINA MARTINS CORTEZZI
  • O Veículo Elétrico e Seu Impacto Na Curva De Carga De Consumidores: Estudo de Caso Do FIAT 500E

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • FREDERICO ROMAGNOLI SILVEIRA LIMA
  • Lauro de Vilhena Brandão Machado Neto
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 17/03/2017
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  • Desde a invenção da roda, a busca do semovente, um veículo capaz de se mover sozinho, sempre foi um sonho perseguido pelo homem. No século XIX já existiam três tecnologias de propulsão utilizada nos automóveis: vapor, combustão e elétrico. O motor a combustão se tornou a tecnologia predominante a partir da descoberta de grandes jazidas de petróleo no estado americano do Texas. O conceito de desenvolvimento sustentável incentivou o retorno dos veículos elétricos ao cenário automotivo mundial, como alternativa para reduzir os níveis de emissão de dióxido de carbono, que aumenta o efeito estufa e contribui para o aquecimento global. A bateria ainda representa a grande limitação do veículo elétrico. Atualmente a bateria de Li-íon é a mais avançada e a associação com ultracapacitores tem contribuído com o aumento da vida útil da bateria e do desempenho do automóvel. Outra funcionalidade presente no veículo elétrico é a frenagem regenerativa, que tem contribuído com o aumento da autonomia do veículo ao transformar a energia cinética das rodas em energia elétrica, que é drenada para o banco de baterias. O veículo elétrico é denominado plug-in devido à necessidade de ser conectado à rede elétrica para a realização da recarga da bateria. Devido às preocupações sobre o impacto provocado pelo veículo elétrico no sistema elétrico de potência, foi analisado o comportamento de recarga do veículo elétrico Fiat 500e embasado em normas que se referem à qualidade de energia. Na sequência, os dados medidos durante a recarga foram inseridos na curva de carga de consumidores em diferentes cenários de recarga. Os resultados encontrados contribuem para o entendimento da recarga do veículo elétrico. A recarga em diferentes horários do dia afeta de forma diferente as curvas de carga dos consumidores e consequentemente, de diferente maneiras o sistema elétrico de potência.


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  • Since the invention of the wheel, the man wish to find something that can be move alone. There were three types of vehicle technology in the 19th century: steam car, combustion car and electric car. But the combustion car became the predominant technology due to the discovery of huge oil fields in Texas, US. However, the concern about environmental pollution has contributed to the return of electric vehicle, as an alternative to reduce the greenhouse effect. Therefore, low autonomy and the time it takes to recharge remain as the great disadvantages of electric vehicles. The most advanced battery used in electric car is the Li-ion battery. The battery is used together with ultra-capacitors to contribute with the increase of performance of car and extend the life time of battery. Regenerative braking system is the other technology present in electric vehicle. It converts the braking energy in electric energy that it is transferred to the bank of batteries and it contributes to extend the autonomy of the electric vehicle. Every electric vehicle is a plug-in car because it requires to connect to grid to recharge the battery. Therefore, most of electronic devices can cause distribution circuit congestion and affect the power quality. The study presents the behavior of main electric parameters during the recharge of the electric vehicle Fiat 500e. The analysis of results were done based on the limits recommended by national and internationals standards about quality of energy. In sequence, these parameters were included on load curve of Brazilian consumers in different scenarios of recharge. The results contribute to discuss the general effect on distribution system caused by the spread of electric vehicle and how the recharge in different time of the day can affect the consumption and consequently the Power System.

2
  • Daniel Silva Braga
  • Estudo e Modelagem de Cargas Não Lineares em Condições Não Senoidais

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOSE HISSA FERREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 30/03/2017
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  • RESUMO Não é correto tentar prever a distorção harmônica total da corrente em um alimentador baseando-se nas distorções harmônicas totais das cargas. Isso porque cada ordem harmônica se soma produzindo atenuações e amplificações. Além disso, as interações entre cargas não lineares dificultam o entendimento do comportamento das distorções na tensão e na corrente. De fato, com a proliferação dos dispositivos baseados em conversores estáticos nas redes elétricas, cresce a demanda por esclarecimentos acerca do comportamento das cargas não lineares operando em condições não senoidais. Os dispositivos baseados em semicondutores de potência produzem harmônicos e são sensíveis às emissões que eles mesmos produzem. Mesmo assim, a própria eletrônica de potência é utilizada para compensação harmônica. É necessário estimular o estudo da análise harmônica no domínio da frequência e o estudo da potência em condições não senoidais. Pesquisas nessa direção favorecem o desenvolvimento de redes elétricas mais inteligentes e capazes de suportar as demandas do futuro. Um dos requisitos principais de um projeto de rede inteligente é o controle da demanda. Para controlar a demanda, é interessante prever o comportamento da rede diante da redução da tensão de alimentação. Nesta dissertação, mostra-se que a forma de onda da corrente que circula por uma carga não linear se altera em função da magnitude da tensão. Além disso, investiga-se experimentalmente o comportamento das quantidades de potência em condições não senoidais. Mostra-se que é necessário fazer a distinção entre potência reativa e potência não ativa porque o comportamento dessas grandezas pode ser bastante diferente. Propõe-se, inicialmente, um modelo simplificado no domínio da frequência capaz de prever os espectros de magnitude e fase da corrente de uma carga não linear com base na magnitude da tensão. Parâmetros do modelo são estimados usando-se dados experimentais. O modelo é aplicado para previsão da distorção harmônica total da corrente em função da tensão. Em seguida, a comparação entre dois modelos harmônicos no domínio da frequência é clarificada utilizando-se deduções analíticas. Partindo dessas análises, desenvolve-se um procedimento para estimação dos parâmetros de um modelo harmônico analítico no domínio da frequência. O procedimento proposto é numericamente robusto e o modelo estimado é capaz de descrever a relação entre os espectros das magnitudes e fases da corrente e da tensão em uma carga não linear operando em condições não senoidais. Por fim, avaliam-se os ajustes matemáticos. Os resultados sugerem uma notável aplicabilidade do modelo para previsão do comportamento harmônico de uma carga não linear.
     
     

  • Mostrar Abstract
  • ABSTRACT The total harmonic distortion (THD) of current in a feeder cannot be calculated based on THD of each load. Each harmonic order of current can range from cancellation to addition depending on its phase angle. Moreover, the interactions between nonlinear loads have to be considered. In the presence of nonlinear loads, the behavior of current and voltage distortions become an even more complicated query. In fact, the interest in clarifying the behavior of the nonlinear loads operating in nonsinusoidal condition grows as the power electronic converter based devices proliferate in power systems. Power electronics produce harmonics and are sensible to their own emissions. Nevertheless, power electronics themselves are applied in harmonic compensation. Research in frequency domain harmonic analysis and electric power under nonsinusoidal conditions supports the developments of smarter electric grids capable of enduring the requirements of the future. Demand control is an important requirement in smart grid development. Predicting the behavior of the grid in conservation voltage reduction scenario is important. In this master thesis, it is shown that the waveform of current in a nonlinear load changes as the magnitude of voltage is changed. Moreover, the power quantities in nonsinusoidal conditions is analyzed using measured data. It is shown that reactive power and nonactive power have to distinguished because their behavior can be quite different. In this work, a simplified frequency domain model is proposed. The model is used for predicting the magnitude and phase spectra of the current in a nonlinear load based on the magnitude of voltage. Model parameter estimation is carried out using experimental data. The model is applied for predicting the THD of current. Next, the comparison between two frequency domain harmonic models is clarified using analytical derivations. Based on these analyses, a straightforward parameter estimation procedure for a frequency domain analytical model is formulated. The proposed procedure is numerically robust and the resulting model is able to accurately describe the relation between magnitude and phase spectra of voltage and current in a nonlinear load operating in nonsinusoidal conditions. Lastly, the mathematical fitting procedure is assessed. The results suggest a remarkable applicability of the model in predicting the harmonic behavior of a nonlinear load.

3
  • Grazielle Jacinta Santos
  • Análise da Segmentação da Rede Elétrica Através de Elos HVDC Para  Redução de Desligamentos em Cascata e Apagões

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • IVAN JOSÉ DA SILVA LOPES
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 31/03/2017
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  • As modernas redes de transmissão de energia são extensos e complexos sistemas que têm experimentado grandes apagões nas últimas duas décadas. Esses raros mas significantes eventos aumentam as preocupações sobre a estabilidade e segurança da operação do sistema elétrico. A segmentação de grandes redes CA através de elos CC introduz um novo conceito que utiliza as vantagens da transmissão em corrente contínua para melhorar a confiabilidade da rede e aumentar a capacidade de transferência de energia. A literatura técnica defende que a segmentação da rede CA e a introdução de elos CC nesses pontos de conexão da rede seccionada traz benefícios à operação do sistema, uma vez que contingências geradas em um lado do ponto de conexão CC não seriam refletidos no outro lado do ponto, diminuindo assim a probabilidade de desligamentos em cascata e apagões devido à restrição de carga em linhas de transmissão e transformadores. Apesar da literatura técnica defender as vantagens da inserção dos elos CC para segmentação da rede, este tema ainda está em constante debate pela comunidade técnica e cientifica, uma vez que a quantidade de elos CC existentes em funcionamento é significativamente pequena gerando dúvidas a respeito da sua real eficácia para controle de fluxo de potência em casos de contingência. Em meio a este cenário, esta dissertação apresentará um estudo sobre os principais tópicos referentes à utilização dessa nova filosofia de segmentação da rede, trazendo um ponto de vista prático para a utilização desse conceito no planejamento do sistema elétrico de potência. O efeito da segmentação CC perante uma contingência que iniciaria grandes interrupções em um modelo de sistema elétrico adaptado do modelo internacional IEEE-14 barras é estudado e simulações foram realizadas com os sistemas teste HVAC e HVAC segmentado por elo HVDC. Os resultados foram comparados, principalmente em relação à tensão das barras, geração de potência reativa, perdas do sistema e fluxo de potência nas linhas, e demonstraram que esse novo conceito aumenta a confiabilidade da rede.


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  • The Modern power transmission networks are extensive and complex systems that have been experienced great blackouts over past two decades. These rare but significant events raise concerns about stability and safety of the electrical system operation. Segmentation of large AC systems through DC links introduces a new concept that utilizes the advantages of direct current transmission to improve grid reliability and increase power transfer capacity. Technical literature argues that the segmentation of the AC network and the introduction of DC links at these systems connection points bring benefits to system operation, once contingencies generated on one side of the DC connection point would not be reflected on the other side of DC connection, thereby reducing the likelihood of cascading outages and blackouts due to load restraint on transmission lines and transformers. Although the technical literature defends the advantages DC links utilization for grid segmentation, this subject stills in constant debate by scientific community, because the number of existing DC links in operation are insignificant, generating doubts about its effectiveness for power flow control at contingency cases. Amidst this scenario, this paper present a study of the main topics regarding the use of this new network segmentation philosophy, bringing a practical point of view for the use of this concept at the electrical power system planning. The effect of DC segmentation before a contingency that would initiate major outages in an adapted electrical system model IEEE-14 bus is studied and simulations have been performed with test HVAC systems and segmented by HVDC link. The results has been compared, principally in relation to the voltage bus, reactive power generation, system losses and power flow at the lines, and demonstrated that this new concept improved the grid confiability.

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  • Guilherme Lopes de Figueiredo Brandão
  • Sistema Para Reaproveitamento de Energia Eletromagnética Utilizando Rectennas

  • Orientador : URSULA DO CARMO RESENDE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Gláucio Lopes Ramos
  • RICARDO LUIZ DA SILVA ADRIANO
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • ÉLSON JOSÉ DA SILVA
  • Data: 06/06/2017
  • Mostrar Resumo
  • A utilização de rectennas para reaproveitamento de energia eletromagnética sem fio é uma aplicação recente desses sistemas, que deve levar em consideração as características do sinal recebido, tais como alta frequência e baixos níveis de potência. Além disso, as características não-lineares do circuito retificador dificultam o casamento de impedância entre antena e circuito retificador, sendo necessário um estudo específico para cada aplicação. Assim sendo, este trabalho, de cunho investigativo, apresenta uma revisão bibliográfica acerca dos tipos de rectennas utilizados atualmente, de modo a identificar as geometrias de antenas e topologias de circuitos retificadores que apresentem bom desempenho e facilidade de construção. A partir da revisão bibliográfica, diferentes geometrias de antenas são projetadas e otimizadas, utilizando o software CST® (Computer Simulation Technology), visando alcançar impedância de entrada igual a 50 Ω na frequência de 2,45 GHz. Tais antenas são construídas e comparadas em testes de transmissão-recepção. Utilizando o software ADS® (Advanced Design System), diferentes configurações de circuitos retificadores dobradores de tensão são projetados e otimizados. Os protótipos construídos são testados, a fim de verificar o comportamento do circuito com a variação da potência de entrada, da frequência do sinal e da carga. Por fim, as configurações que apresentaram melhor desempenho individualmente são testadas em um sistema rectenna completo, individual e associado em série/paralelo, de forma a demonstrar a funcionalidade e eficiência da tecnologia.


  • Mostrar Abstract
  • The use of rectennas to wireless electromagnetic energy recycling is a recent application of these systems, which should take into account the received signal characteristics, such as high frequency and low power levels. In addition, the non-linear characteristics of rectifier circuit makes impedance matching between antenna and rectifier circuit difficult, requiring a specific study for each application. Therefore, this investigative work presents a literature review about the types of rectennas currently used, in order to identify the antenna geometries and topologies of rectifier circuits that present good performance and ease of construction. From the literature review, different antenna geometries are designed and optimized, using CST® (Computer Simulation Technology) software to achieve 50 Ω input impedance at the 2,45 GHz frequency. Such antennas are constructed and compared in transmission-reception tests. Using ADS® (Advanced Design System) software, different configurations of voltage doubler rectifier circuits are designed and optimized. The constructed prototypes are tested, in order to verify the behavior of the circuit with the variation of input power, signal frequency and load. Finally, the configurations that presented the best performance individually are tested in a complete rectenna system, individual and in serial/parallel association, in order to demonstrate the functionality and efficiency of this technology.

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  • WAGNER CARDOSO SOARES
  • Estudo de Diferentes Tipos de Excitação de Antenas de Microfita Utilizando o Método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • DALMY FREITAS DE CARVALHO JUNIOR
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 14/06/2017
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  • Antenas de microfita, no geral, são usadas em aplicações automotivas, aeronáuticas, aeroespaciais, em que se é exigido tamanho, peso e custo reduzidos, alto desempenho, facilidade de instalação e perfil aerodinâmico. Para o projeto destas antenas, programas computacionais são necessários para se verificar o funcionamento das mesmas em determinadas bandas de frequências. Estes programas permitem a simulação de diferentes geometrias da antena, com variações de material sem a necessidade de construção de protótipos, o que possibilita redução de tempo e custo de projeto. Há diversos métodos numéricos para simulação de antenas de microfita, destacando-se MoM, FEM e FDTD. Neste trabalho foi escolhido o FDTD dentre estes, uma vez que a antena projetada possui geometria complexa e substrato de fibra de vidro FR-4, o qual é um material com perdas e este método obtém bom desempenho para a simulação de antenas com esta configuração. Para validar o código FDTD, primeiramente foi simulada uma antena de geometria mais simples. Uma vez que o código foi validado, o mesmo foi submetido a testes para verificação das influências de configurações gerais do programa no resultado da antena, como passo de tempo, geometria da antena, definição de pontos de excitação e medição e passo de tempo para liberação do pulso de excitação. Como a antena escolhida no projeto possui geometria complexa e material dielétrico com perdas foi necessária a investigação da fonte de excitação mais apropriada para o problema, dentre estas: fonte resistiva de tensão, parede magnética e subtração da onda incidente da onda total. Para comparação dos resultados simulados, foi feita a simulação da mesma geometria de antena em software comercial. Os resultados das simulações de cada uma das fontes de excitação investigadas demonstram que todas geraram boa correspondência quando comparadas com a curva gerada pelo software comercial, sendo destacado o resultado da parede magnética. A antena desenvolvida foi construída após a validação da simulação. Foi usada uma placa de fibra de vidro de dupla face com substrato em FR-4 para construção da antena com as dimensões conforme feitas na simulação. Para evitar ruídos na medição da perda de retorno, a antena foi inserida em uma câmara anecoica. Houve uma boa correspondência entre as simulações feitas no software FDTD desenvolvido no trabalho, a simulação no software comercial e a medição da antena construída.


  • Mostrar Abstract
  • Microstrip antenas in general are used in automotive, aeronautics and aerospace applications in which small size and weight and cost reductions are required, high performance, installation readiness and aerodynamic profile. For the antennas design, computational software are needed to verify their behavior in such frequencies band. These software allow the simulation of different antennas geometry with material variation with no need of prototypes assembly, which reduces project time and costs. There are many numeric methods to simulate microstrip antennas, highlighting MoM, FEM and FDTD. In this research it was chosen FDTD between those, due to the designed antennas owns complex geometry to operate in ultra wide band and FR-4 fiberglass dielectric which is a high loss material and this method obtains good performance for the antenna simulation of such configuration. To validate the FDTD code, it was first simulated an antenna with simpler geometry. Once the code was validated, it was tested the influences of general settings in the code for the antenna simulation result, like time step, antenna geometry, excitation and measurement points definition and time step to release the excitation pulse. Since the chosen antenna in the research has complex geometry and high loss dielectric material it was necessary to investigate the excitation source more appropriate for the problem, among these: voltage resistive source, magnetic wall and incident wave subtraction from the total wave. To compare the simulated results it was performed a simulation of the same antenna geometry in a commercial software. The simulation results of each of the excitation sources investigated demonstrated good matching when compared to the curve generated in the commercial software, highlighting the magnetic wall. The antenna developed was assembled after the simulation validation. It was used a fiberglass PCB with double face with FR-4 dielectric to assembly the antenna with the same dimensions used in the simulation. To avoid noise in the return loss measurement the antenna was inserted in an anecoic chamber. There was a good matching between the simulations performed in the FDTD software developed in the research, the commercial software and the antenna assembled measurements.

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  • Sara Jorge e Silva
  • Síntese de Controladores PI com Desacoplador para Controle de Sistemas Multivariáveis não Quadrados

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • VICTOR COSTA DA SILVA CAMPOS
  • Data: 03/07/2017
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  • Resumo
    É comum que processos industriais sejam multivariáveis e, por isso, é justificada a necessidade de se projetar e implementar sistemas de controle para esses processos. É bem conhecido que nem todos os processos multivariáveis apresentam o mesmo número de entradas e saídas. Sistemas em que o número de variáveis de entrada é diferente do número de variáveis de saída são conhecidos como sistemas não quadrados. Para os processos multivariáveis com interações elevadas entre a malhas de controle ou que exigem um controle mais rigoroso, sistemas de controle com desacopladores são muitas vezes empregados. Inicialmente, busca-se eliminar os efeitos indesejáveis das interações entre malhas através dos desacopladores, para depois se projetar os controladores individuais. Neste trabalho, será investigado o uso de um algoritmo de otimização não linear para a síntese de sistemas de controle PI com desacoplador, considerando múltiplos objetivos de controle, para ser aplicado à sistemas multivariáveis não quadrados com múltiplos atrasos de tempo. A principal estratégia da metodologia de projeto considerada é considerar como uma das funções objetivo do problema de otimização a aproximação de um modelo de referência em malha fechada que garante as especificações das respostas transitórias das múltiplas malhas de controle como também o desacoplamento entre as mesmas. Adicionalmente podem ser incluídas, de acordo com o problema sendo tratado, outras funções objetivo relativas ao esforço de controle, rejeição de perturbações e/ou atenuação de ruídos de medição. É adotado neste trabalho o algoritmo Evolução Diferencial para a solução do problema de otimização não linear multi-objetivo. Será demonstrado, através de exemplos, que a metodologia proposta de síntese de controladores PI com desacoplador para sistemas multivariáveis não quadrados pode apresentar melhores resultados que outros métodos já publicados para lidar com mesmo tipo de problema.


  • Mostrar Abstract
  • It is common for industrial processes to be multivariable and therefore there is the need to design and implement control systems for these processes. It is well known that not all multivariable processes have the same number of inputs and outputs. Systems in which the number of input variables is different from the number of output variables are known as nonsquared systems. For multivariable processes with high interactions among the control loops or that require more stringent control, control systems with decouplers are often employed. Initially, it is seeking to eliminate the undesirable effects of the interactions among the control loops by means of the decouplers to project the individual controllers. In this work, we will investigate the use of a nonlinear optimization algorithm for the synthesis of PI control systems with decoupling, considering multiple control objectives, to be applied to non-square multivariable systems with multiple time delays. The main strategy of the syntheses is methodology is to consider as an optimization function the approximation of a closed-loop reference model to attain the transient response specifications of the multiple control loops as well as the decoupling between them. In addition, other functions may be included, according to the problem being treated, related to control effort, disturbance rejection and/or measurement noise attenuation. We adopt in this work the Differential Evolution algorithm to achieve the solution of the non-linear multiobjective optimization problem. It will be demonstrated, through examples, that the proposed methodology for synthesis of control PI with decoupling for non-squared multivariable systems may present better results than other methods already published to deal with the same type of problem.

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  • Sara Jorge e Silva
  • Síntese de Controladores PI com Desacoplador para Controle de Sistemas Multivariáveis não Quadrados

  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • VICTOR COSTA DA SILVA CAMPOS
  • Data: 03/07/2017
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  • Resumo
    É comum que processos industriais sejam multivariáveis e, por isso, é justificada a necessidade de se projetar e implementar sistemas de controle para esses processos. É bem conhecido que nem todos os processos multivariáveis apresentam o mesmo número de entradas e saídas. Sistemas em que o número de variáveis de entrada é diferente do número de variáveis de saída são conhecidos como sistemas não quadrados. Para os processos multivariáveis com interações elevadas entre a malhas de controle ou que exigem um controle mais rigoroso, sistemas de controle com desacopladores são muitas vezes empregados. Inicialmente, busca-se eliminar os efeitos indesejáveis das interações entre malhas através dos desacopladores, para depois se projetar os controladores individuais. Neste trabalho, será investigado o uso de um algoritmo de otimização não linear para a síntese de sistemas de controle PI com desacoplador, considerando múltiplos objetivos de controle, para ser aplicado à sistemas multivariáveis não quadrados com múltiplos atrasos de tempo. A principal estratégia da metodologia de projeto considerada é considerar como uma das funções objetivo do problema de otimização a aproximação de um modelo de referência em malha fechada que garante as especificações das respostas transitórias das múltiplas malhas de controle como também o desacoplamento entre as mesmas. Adicionalmente podem ser incluídas, de acordo com o problema sendo tratado, outras funções objetivo relativas ao esforço de controle, rejeição de perturbações e/ou atenuação de ruídos de medição. É adotado neste trabalho o algoritmo Evolução Diferencial para a solução do problema de otimização não linear multi-objetivo. Será demonstrado, através de exemplos, que a metodologia proposta de síntese de controladores PI com desacoplador para sistemas multivariáveis não quadrados pode apresentar melhores resultados que outros métodos já publicados para lidar com mesmo tipo de problema.


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  • It is common for industrial processes to be multivariable and therefore there is the need to design and implement control systems for these processes. It is well known that not all multivariable processes have the same number of inputs and outputs. Systems in which the number of input variables is different from the number of output variables are known as nonsquared systems. For multivariable processes with high interactions among the control loops or that require more stringent control, control systems with decouplers are often employed. Initially, it is seeking to eliminate the undesirable effects of the interactions among the control loops by means of the decouplers to project the individual controllers. In this work, we will investigate the use of a nonlinear optimization algorithm for the synthesis of PI control systems with decoupling, considering multiple control objectives, to be applied to non-square multivariable systems with multiple time delays. The main strategy of the syntheses is methodology is to consider as an optimization function the approximation of a closed-loop reference model to attain the transient response specifications of the multiple control loops as well as the decoupling between them. In addition, other functions may be included, according to the problem being treated, related to control effort, disturbance rejection and/or measurement noise attenuation. We adopt in this work the Differential Evolution algorithm to achieve the solution of the non-linear multiobjective optimization problem. It will be demonstrated, through examples, that the proposed methodology for synthesis of control PI with decoupling for non-squared multivariable systems may present better results than other methods already published to deal with the same type of problem.

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  • PEDRO HENRIQUE DA CRUZ SANTOS
  • Recapacitação não Convencional de Linhas Aéreas de Transmissão

  • Orientador : MARCIO MATIAS AFONSO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOÃO ANTÔNIO DE VASCONCELOS
  • LEÔNIDAS CHAVES DE RESENDE
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • Data: 06/07/2017
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  • O aumento da demanda de energia elétrica, realidade experimentada por muitos países, e os diversos desafios relacionados ao aspectos econômicos, ambientais e sociais requisitam a inovação tecnológica aplicada aos sistemas de transmissão de energia elétrica. O desenvolvimento de novas tecnologias visa explorar características menos conservadoras na concepção de novas linhas e na adequação de linhas existentes. Dentro deste contexto, muitos estudos foram realizados a fim de desenvolver técnicas de recapacitação de linhas de transmissão. Estas técnicas, além de melhorar o desempenho operacional da linha e aumentar a sua capacidade de transmissão, buscam atender os diversos aspectos sociais, econômicos e ambientais. O presente trabalho apresenta um estudo mais específico direcionado às técnicas de recapacitação não convencionais conhecidas como Feixe Expandido e Compactação de Linhas, cujo principal objetivo é maximizar a potência característica das linhas por meio da adequação dos seus parâmetros elétricos. Essa adequação é alcançada pela otimização da configuração geométrica dos condutores da linha. Dessa forma, esse trabalho propõe uma metodologia e desenvolve uma ferramenta computacional para a otimização de linhas de transmissão aéreas, considerando novas concepções construtivas para os feixes de condutores. Diversos aspectos podem ser incorporados nos processos de otimização, desde que sejam quantificados sob a forma de custos ou sejam traduzidos por restrições. Assim, a ferramenta aqui desenvolvida busca maximizar a potência característica e minimizar os campos elétrico e magnético ao nível do solo, sem violar as restrições geométricas e as restrições impostas pelo Efeito Corona. Além disso, utiliza-se como estratégia de otimização o conceito de otimilidade de Pareto e os métodos populacionais. Finalmente, o programa aqui desenvolvido, além de calcular e otimizar a potência característica e os campos ao nível do solo, permite computar o campo elétrico na superfície dos condutores, o campo elétrico máximo admissível e a perda de potência por Efeito Corona.
     
     

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  • The increase in demand for electricity, a reality experienced by many countries, and the various challenges related to economic, environmental and social aspects require the technological innovation applied to electric power transmission systems. The development of new technologies aims at exploring less conservative features in the design of new lines and the adequacy of existing lines. Within this context, many studies have been carried out in order to develop techniques to improve the performance of transmission lines. These techniques, in addition to increasing the transmission capacity of the lines, search to attend the various social, economic and environmental aspects. This work presents a more specific study directed to the non conventional techniques known as Expanded Bundle and Line Compacting, whose main objective is to maximize the characteristic power of the lines through the adaptation of its electrical parameters. This suitability is achieved by optimizing the geometric configuration of the line conductors. Thus, this work proposes a methodology and develops a computational tool for the optimization of transmission lines, considering new constructive conceptions for the conductor bundles. Several aspects can be incorporated into optimization processes, since they are quantified in the form of costs or translated into constraints. Thus, the tool developed here seeks to maximize the characteristic power and minimize the electric and magnetic fields at ground level, without violating the geometric constraints and restrictions imposed by the Corona Effect. Furthermore, the Pareto optimization concept and population methods are used as an optimization strategy. Finally, the program developed here, besides calculating and optimizing the characteristic power and the fields at ground level, allows to compute the electric field on the surface of the conductors, the maximum permissible electric field and the loss of power by Corona Effect.
     
     
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  • TARCISIO CARLOS FONSECA
  • Aperfeiçoamento do Modelo de Fios Finos Curvos na Malha FDTD Através da Correção das Cargas nas Bordas da Geometria em Escada

  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • FERNANDO JOSÉ DA SILVA MOREIRA
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 07/07/2017
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  • Com a evolução tecnológica, dispositivos eletromagnéticos ou algumas de suas partes tais como gap de antenas, cabo coaxial, sondas para alimentar antenas impressas, antenas com ressonadores dielétricos, dentre outros, estão cada vez menores. Modelar computacionalmente estruturas muito pequenas é um desafio devido aos recursos computacionais limitados. Um método numérico que possibilita a modelagem de estruturas com grande complexidade do ponto de vista eletromagnético ou geométrico é o FDTD (Finite Difference in Time Domain). Este possui características interessantes tais como a facilidade de obter respostas impulsivas permitindo a análise em uma grande faixa de frequências em apenas uma simulação em que o espaço computacional é descrito por meio de uma malha formada por células que discretizam a geometria em estudo. Entretanto, em regiões com dimensões reduzidas, a malha requerida pode impossibilitar a modelagem devido `a quantidade excessiva de memória e tempo de simulação. Os modelos sub-celulares podem ser utilizados para tratar estruturas pequenas no FDTD. Porém, estes não apresentam uma resposta satisfatória quando se modela fios curvos, visto que são descritos na malha retangular por meio de uma escada que se alinha a esta malha. Portanto, modelos sub-celulares não preveem cargas que se acumulam nas quinas geradas pela transformação do fio curvo em escada equivalente, causando erros na determinação dos parâmetros e figuras de méritos dos fenômenos eletromagnéticos associados `as estruturas. Este trabalho apresenta um modelo que adiciona o acúmulo de carga nas bordas dos fios inclinados na malha do FDTD. Este modelo apresenta outras contribuições como as projeções dos campos eletromagnéticos na célula do referido m´método. O campo magnético que envolve o fio filamentar varia com o inverso do raio efetivo especificado e essa variação faz com que o campo se localize na posição incorreta na célula. Assim, esses são projetados nas bordas da célula para uma melhor representação do modelo do fio fino. Outra contribuição adicional é a modelagem da carga que acumula no fim do fio na qual não é prevista nos modelos sub-celulares. Para excitação das antenas de fio, realizada no gap da mesma, foi utilizada uma fonte RVS ( Resistive Voltagem Source) que tem por característica absorver os campos eletromagnéticos que retornam para o gap. Essa particularidade não ´e encontrada em outras fontes que tem como característica uma distorção no cálculo da impedância. A última etapa do trabalho foi a análise de algumas antenas de fios curvos na malha do FDTD com o modelo proposto e com o modelo sub-celular convencional em comparação com o MoM. Assim, foi possível validar do modelo proposto.
     
     

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  • With the evolution of technology, electromagnetic devices or some of their parts such as antenna gap, coaxial cable for transmission of waveguide, probes to feed printed antennas, antennas with dielectric resonators, among others, are becoming smaller. Computational modeling of very small structures is a challenge due to limited computational resources. A numerical method that allows the modeling of structures with great complexity from the electromagnetic or geometric point of view is the Finite Dierence in Time Domain (FDTD). It has interesting features such as the ease of obtaining impulsive responses allowing the analysis in a large range of frequencies in only one simulation in which the computational space is described by means of a mesh formed by cells that discretize the study geometry. However, in regions with reduced dimensions, the required mesh discretization may make modeling impossible due to excessive amount of memory and simulation time. Sub-cellular models can be used to treat small structures in FDTD. However, these do not present a satisfactory answer when modeling curved wires, since they are described in the rectangular mesh by means of a stair that aligns to this mesh. Therefore, subcellular models do not anticipate loads that accumulate in the kine generated by the transformation of the curved wire in an equivalent staircase, causing errors in the determination of the parameters and gures of the merits of the electromagnetic phenomena associated to the structures. This work presents a sub-cellular model that treats the accumulation of loads at the edges of the inclined wires in the FDTD mesh. This model presents other contributions such as the projections of the electromagnetic elds in the cell of said method. The magnetic eld surrounding the lament wire varies with the inverse of the speci ed eective radius, this variation causes the eld to be located in the wrong position in the cell. Thus, these are designed at the edges of the cell for a better representation of the ne wire model. Outa additional contribution is the modeling of the load that accumulates at the end of the wire in which it is not predicted in the sub-cellular models. For excitation of the wire antennas, realized in the gap of the same one, was used an RVS (Resistive Voltage Source) source that has by characteristic to absorb the electromagnetic elds that return to the gap. This particularity is not found in other sources that has as characteristic a distortion in the calculation of the impedance. The last step of the work was the analysis of some curved wire antennas in the FDTD mesh with the proposed model and with the conventional sub-cellular model in comparison to the MoM. Thus, it enabled the validation of the proposed model.
     
     
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  • MICHELLE BARBOSA GUIMARAES
  • Análises de Precisão, Estabilidade e Dispersão Numérica nos Métodos Implícitos de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo
     
     
  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CÁSSIO GONÇALVES DO REGO
  • Gláucio Lopes Ramos
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • Data: 07/07/2017
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  • O método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) tem sido amplamente utilizado para análises de propagação de ondas e de dispositivos eletromagnéticos como antenas, guias de ondas e cavidades eletromagnéticas por ter como característica a simplicidade de implementação, robustez e eficiência em sistemas de banda larga. Contudo, o método FDTD apresenta como desvantagem a limitação da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Levy (CFL) que relaciona um valor máximo a ser utilizando no passo de tempo. Diante dessa limitação, esse trabalho apresenta um estudo dos métodos de diferenças finitas no domínio do tempo implícitos e que são incondicionalmente estáveis. É realizado um estudo em relação à precisão, estabilidade e custo computacional dos métodos implícitos FDTD-ADI (Alternating Direction Implicit) e FDTD-LOD (Locally One Dimension) envolvendo problemas tridimensionais. A análise dos métodos incondicionalmente estáveis envolve a solução de um sistema matricial e essa solução pode interferir na estabilidade e precisão dos valores dos campos elétricos. Nesse trabalho é realizado um comparativo de diversos métodos numéricos utilizados para solucionar o sistema matricial dos métodos incondicionalmente estáveis. Esse comparativo é realizado em aplicações envolvendo cavidades eletromagnéticas com paredes condutoras elétricas perfeitas (PEC). A aplicação da condição de contorno PEC é estudada e abordada de forma a manter a solução estável, eficiente e com maior precisão. O trabalho também apresenta à aplicação do método FDTD-ADI na análise dos campos elétricos em uma esfera dielétrica e metálica em que a condição absorvente Mur é utilizada na fronteira do domínio computacional e o problema simulado é investigado em três dimensões.
     
     

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  • The finite difference time domain method (FDTD) has been widely used for propagation analysis of waves and electromagnetic devices such as antennas, waveguides and cavities because it has simplicity of implementation, robustness and efficiency in band systems large. However, the FDTD method has as a disadvantage the limitation of the Courant-Friedrich-Levy (CFL) stability condition which relates a maximum value to be used in the time step. Faced with this limitation, this work presents a study of implicit time finite difference methods that are unconditionally stable. A study was performed regarding the accuracy, stability and computational cost of the FDTD-ADI (Alternating Direction Implicit) and FDTD-LOD (Locally One Dimension) method. The analysis of the unconditionally stable methods involves the solution of a matrix system and this solution can interfere in the stability and precision of the values of the electric fields. In this work, a comparison of several numerical methods used to solve the matrix system of unconditionally stable methods is carried out. This comparative is realized in applications involving electromagnetic cavities with perfect electrical conducting walls (PEC). The application of the PEC contour condition is studied and approached in order to keep the solution stable, efficient and with greater accuracy. The work also presents to the application of the FDTD-ADI method in the analysis of electric fields in a dielectric and metallic sphere in which the absorbent condition Mur is used at the frontier of the computational domain and the simulated problem is investigated in three dimensions.
     
     
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  • Fellipe Marcell da Silva Borges
  • Metodologia para a Determinação da Impedância Impulsiva de Arranjos Típicos de Aterramentos Elétricos

  • Orientador : RAFAEL SILVA ALIPIO
  • MEMBROS DA BANCA :
  • Fernando Henrique Silveira
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Silvério Visacro Filho
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 04/08/2017
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  • Esta dissertação é dedicada à avaliação do comportamento impulsivo de aterramentos elétricos, em particular a determinação da impedância impulsiva de aterramento. Propõem-se uma metodologia inovadora para estimativa da impedância impulsiva de arranjos típicos de aterramento. Os parâmetros de entrada da metodologia são determinados utilizando-se basicamente fórmulas práticas, o que permite a sua ampla aplicação não somente na área acadêmica, mas também industrial. A metodologia é aplicada a arranjos típicos de aterramento, tais como eletrodos horizontais, cabos contrapeso e malhas de aterramento, considerando diferentes dimensões e solos de baixa, moderada e elevada resistividade. Em todos os casos, considera-se a aplicação de ondas representativas de primeiras descargas e descargas subsequentes. Tendo como referência os resultados obtidos utilizando um modelo eletromagnético rigoroso, mostra-se que a metodologia proposta fornece excelentes estimativas da impedância impulsiva de aterramento de arranjos diversos.
     
     

  • Mostrar Abstract
  • This master thesis is dedicated to the evaluation of the impulse behavior of grounding systems, in particular the determination of the grounding impulse impedance. A new methodology for estimating the impulse impedance of typical grounding arrangements is proposed. The input parameters of the methodology are basically determined using practical formulas, which allows its wide application not only in academic but also industrial area. The methodology is applied to typical grounding arrangements, such as horizontal electrodes, counterpoise wires and grounding meshes, considering different dimensions and low, moderate and high resistivity soils. In all cases, it is considered the application of representative current waves of first and subsequent strokes. Based on the results obtained using a rigorous electromagnetic model, it is shown that the proposed methodology provides excellent estimates of the impulse impedance of several configurations.
     
     
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  • Carla de Souza
  • Robustez na Estabilidade Entrada – Estado de Sistemas Discretos no Tempo com Atraso nos Estados e Saturação de Atuadores

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • LUIS FILIPE PEREIRA SILVA
  • MÁRCIO JÚNIOR LACERDA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 08/08/2017
  • Mostrar Resumo
  • Neste trabalho, aborda-se o problema de estabilização robusta entrada-estado de sistemas discretos no tempo com atraso nos estados saturação de atuadores e sujeitos a pertubações limitadas em energia (l2). São tratados, neste caso, os sistemas com incertezas e atraso variantes no tempo e, além disso, assume-se que variação máxima do atraso possua taxas limitadas. Em particular, propõe-se condições para a síntese de controladores do tipo realimentação de estados, bem como para a síntese de compensadores de anti-windup estáticos. Para isso, o sistema com atraso e incertezas politópicas é reescrito como um sistema incerto aumentado livre de atraso e chaveado pelo valor do atraso. Além disso, a saturação é dada em termos de uma não-linearidade do tipo zona-morta, com a consequente aplicação da condição generalizada de setor. As condições propostas são do tipo dependente do atraso, porém a lei de controle calculada, que não depende do valor do atraso, assegura a estabilidade local do sistema para condições iniciais e sinais de pertubação inseridos em suas respectivas regiões de validade. A partir das condições determinadas, são formulados diferentes problemas de otimização convexa, que se diferem quanto ao objetivo de controle, sendo possível maximizar o conjunto de condições iniciais admissíveis ou maximizar o limite superior da norma l2 das pertubações admissíveis. Por fim, são apresentados exemplos numéricos para demonstrar a eficiência dos métodos propostos e comparar com outros existentes na literatura.


  • Mostrar Abstract
  • In this work, we address the problem of robust input-to-state stabilization of discrete time systems with delay in the states and saturation of actuators. In this case, systems with time-varying uncertainties and delays are treated, and in addition, it is assumed that maximum delay variation has limited rates. In particular, it is proposed conditions for the synthesis of state feedback type controllers as well as for the synthesis of static anti-windup compensators. For this, the system with delay and polytopic uncertainties is rewritten as an uncertain augmented system and switched by the value of the delay. It is assumed that the saturation of the actuator is represented in terms of a non-linearity of the dead zone type, with the application of the generalized condition of the sector. The proposed conditions, which are delay dependent, ensure local stability of the system for permissible initial conditions and distur- bance signals. However, the control law investigated does not depend on the value of the delay, which facilitates its implementation. From the determined conditions, different convex optimization problems are formulated, differing for the control objective, for example, it is possible to maximize the initial set of permissible conditions or maximize the upper limit of the l_2 norm of the permissible perturbations. Finally, numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed methods and compare them with others in the literature.

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  • Ademir Paulino dos Santos
  • Energia Fotovoltaica: Aspectos Técnicos e Econômicos

  • Orientador : EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CLEVER SEBASTIÃO PEREIRA FILHO
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 17/08/2017
  • Mostrar Resumo
  • As fontes renováveis de energia têm aumentado sua participação na matriz energética global. Nesse contexto, a energia solar fotovoltaica tem se mostrado promissora em função da queda nos preços do sistema como um todo e também em função da abundância do recurso solar. O Brasil, apesar do alto nível de irradiação solar, ainda é pouco desenvolvido nesse tipo de fonte de geração de energia elétrica se comparado com outros países com nível de radiação inferior como a Alemanha, Itália e Espanha. É verdade que os países que atualmente apresentam grande participação desse tipo de fonte possuem uma matriz elétrica com grande participação de fontes com combustíveis de origem fóssil, o que explica o alto nível de incentivos praticados com vistas a viabilização de fontes renováveis. O Brasil, por sua vez, tem implementado medidas de ordem regulatória e tributária de forma a promover a geração distribuída e com isso, aumentar a participação de fontes de origem eólica e fotovoltaica em sua matriz que já é predominantemente renovável. Este trabalho tem o objetivo de estudar e analisar a viabilidade econômica da implementação de sistemas fotovoltaicos para consumidores da classe residencial conectados às 63 distribuidoras de energia elétrica que compõem o sistema elétrico de distribuição brasileiro. O procedimento metodológico que conduziu esta pesquisa foram os estudos baseados em indicadores de análise de investimento e no cálculo do custo nivelado de energia - LCoE. Como conclusão, esta pesquisa demonstra que a paridade tarifária já é uma realidade para a energia fotovoltaica quando comparada com as tarifas de energia para fornecimento aos consumidores da classe residencial.


  • Mostrar Abstract
  • Renewable energy sources have increased their share in the global energy matrix. In this context, photovoltaic solar energy has shown to be promising due to the fall in the prices of the system as a whole and also due to the abundance of the solar resource. Brazil, despite the high level of solar irradiation, is still underdeveloped in this type of source of electricity generation compared to other countries with lower radiation levels such as Germany, Italy and Spain. It is true that the countries that currently have a large share of this type of source have an electric matrix with a large share of sources of fossil fuels, which explains the high level of incentives practiced with a view to making renewable sources viable. Brazil, in turn, has implemented regulatory and tax measures in order to promote distributed generation and thereby increase the share of wind and photovoltaic sources in its already predominantly renewable matrix. This work has the objective of studying and analyzing the economic viability of the implementation of photovoltaic systems for consumers of the residential class connected to the 63 distributors of electric energy that make up the Brazilian electrical distribution system. The methodological procedure that led to this research were the studies based on indicators of investment analysis and the calculation of the level of energy cost - LCoE. As a conclusion, this research demonstrates that tariff parity is already a reality for photovoltaic energy when compared to energy tariffs for residential consumers.

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  • Fernando Sebastião da Silva
  • Método Para Avaliar a Confiabilidade Estrutural de Sistemas de Subtransmissão de Energia Integrado à Distribuição

  • Orientador : EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • CLEBER ESTEVES SACRAMENTO
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • LUIZ CARLOS DO NASCIMENTO
  • Luiz Antônio da Fonseca Manso
  • Data: 17/08/2017
  • Mostrar Resumo
  • Esta dissertação discorre sobre a aplicação de um método para estimar a confiabilidade estrutural dos sistemas de subtransmissão de energia elétrica. Este método avalia a confiabilidade não somente pelos registros históricos de desempenho do sistema, que são influenciados por variáveis como o clima e quantidade de intervenções programadas, mas principalmente pelas características estruturais típicas do sistema avaliado. Os caminhos mínimos e os conjuntos de corte mínimo do sistema elétrico de potência (SEP) são determinados. Os dados são tratados, sendo avaliadas as durações totais de interrupções, para cortes de 1a a 2a ordem, no período de um ano. São consideradas as taxas de falhas das linhas e transformadores, estratificadas de acordo com o material construtivo das torres e nível de tensão destes equipamentos. Também são usados os tempos médios de manobra e reparo, e a capacidade de carga dos elementos não afetados por um evento de falha. Um sistema de teste IEEE – RBTS Barra 4 e um sistema característico da subtransmissão são avaliados em duas etapas. Inicialmente, a metodologia proposta é validada através da comparação dos resultados dos índices de confiabilidade sistêmicos obtidos da aplicação do método sobre o sistema de teste. Em seguida a confiabilidade do sistema de subtransmissão é estimada levando em consideração as suas características estruturais e os recursos disponíveis para transferências de cargas entre as subestações. Após as simulações, um ranking de confiabilidade das estruturas que compõem a subtransmissão é estabelecido, tendo como principal índice o DEC Estrutural. Para as que estão abaixo da meta estabelecida, são propostas obras de melhoria e mais uma vez o sistema é avaliado, sendo incluídas no portifólio de obras somente as alternativas que conciliarem um aumento da confiabilidade sistêmica com um menor custo global. Nesta questão a metodología proposta supera os métodos convencionais de planejamento, pois permite avaliar estruturas que ainda não existem, ou seja, planejadas. Neste contexto não é possível utilizar somente dados históricos de desempenho, pois é necessário estimar a disponibilidade futura.


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  • This dissertation proposes and applies a method to estimate the structural reliability of electric energy subtransmission systems, also known as high voltage distribution systems (HVDS). This method evaluates reliability not only by the historical records of system performance, which are influenced by variables such as the climate and quantity of programmed interventions, but mainly by its structural characteristics. The minimal paths and minimal cut-sets of the system are determined. The data are processed, and the total durations of interruptions for 1st and 2nd order cuts in a one year period are evaluated. The failure rates of the lines and transformers are considered stratified according to the constructive material of the towers and the voltage level of these equipments. Also the average maneuver and repair times are used, as well as the load transfer capacity by the distribution network not affected by a failure event. An IEEE-RBTS Bus 4 test system and an HVDS 18 busbar subtransmission system are evaluated in two steps. Initially, the proposed methodology is validated by comparing the results of the reliability indexes obtained by the application of the method on the test system. Then, the reliability of the HVDS 18 busbar is estimated taking into account its structural characteristics and the available resources for load transfers. After the simulations, a reliability ranking of the structures that make up this system is established, having as its main index the structural DEC. For structures that are above the established goal, improvement works are proposed and once again the system is evaluated, being included in the portfolio of works only the alternatives that reconcile the service to the regulatory goal with a lower overall cost. In this context, the proposed methodology surpasses the conventional methods of planning, considering that, in order to evaluate planned topologies, it is no longer possible to use only historical performance data, since it is necessary to estimate the future reliability.

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  • Leandro Cristiano Gomes
  • Previsão de Consumo Energético e da Curva de Demanda de um Edifício Público Utilizando Ferramentas de Inteligência Computacional

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MAURY MEIRELLES GOUVEA JUNIOR
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 01/09/2017
  • Mostrar Resumo
  • Recentemente, no setor elétrico tem ocorrido desenvolvimentos tecnológicos que contribuem para a sua modernização, segurança e qualidade. Toda a automação, coleta de dados e seu processamento em todo o sistema, desde a geração, transmissão e distribuição de energia, vem sendo trabalhada dentro do conceito de Smart Grid, onde há o surgimento de novos equipamentos, para a proteção, controle e medição de energia. Medidores inteligentes estão sendo desenvolvidos para atender esse novo conceito de distribuição de energia, não medindo apenas a energia fornecida pelas concessionárias para o consumidor, mas também aquela gerada pelo consumidor e fornecida ao sistema admitindo a existência de um fluxo bidirecional de energia. A quantidade de dados gerados por estes medidores e armazenados em banco de dados aumentará consideravelmente após a instalação em escala. Estes dados contêm informações relevantes que, mesmo já sendo armazenados, ainda não são processados, por falta de estudos e pesquisas nessa área. Este trabalho propõe uma metodologia para processamento desses dados, utilizando ferramentas de inteligência computacional, com o objetivo se extrair informações relevantes para o desenvolvimento de novos serviços para consumidores e geradores de energia. Apresenta-se uma metodologia para a estimação do consumo energético e da curva de demanda de um edifício público, visando auxiliar o consumidor, a concessionária e o setor energético no nível de planejamento e tomadas de decisões futuras. Para exemplificar e validar a metodologia proposta foram utilizadas as ferramentas de inteligência computacionais. Sendo demonstradas suas características, configurações e comparações entre desempenhos dos diferentes algoritmos utilizados, destacando-se o uso da Lógica Fuzzy e das Redes Neurais Artificiais, também são descritos neste trabalho. Resultados promissores foram conseguidos com a metodologia descrita, demonstrando a eficiência dos métodos e dos algoritmos apresentados neste trabalho e também servindo como base para futuros estudos nessa área de estimação de energia utilizada pelos diferentes tipos de consumidores.


  • Mostrar Abstract
  • Lately, in the electrical sector there have been technological developments that contribute to its modernization, safety and quality. All of the automation, data collection and processing throughout the system, from the generation, transmission and energy distribution, has been worked within the concept of Smart Grid, in which there is the emergence of new equipment, for protection, control and measurement power. Smart metering is being developed to fulfill this new concept of energy distribution, not only measuring the energy supplied by utilities to the consumer, but also that generated by the consumer and supplied to the system assuming a bidirectional flow of energy. The number of data reproduced by these meters and stored in the database will increase considerably after the scale installation. These data contain relevant information that, even though they are already stocked, are still not processed, due to lack of studies and research in this area. This work proposes a methodology for the data processing, using computational intelligence tools, in order to extract relevant information for the development of new services for consumers and power generators. It presents a methodology for evaluation the energy consumption and the demand curve of a public building, aiming to assist the consumer, the concessionaire and the energy sector in the level of planning and future decisions. To exemplify and validate the proposed methodology, the computational intelligence tools were used. The Fuzzy Logic and the Artificial Neural Networks are also described in this work, showing their characteristics, configurations and comparisons between performances of the different algorithms used. Promising results were achieved with the methodology described, proving the efficiency of the methods and algorithms presented in this work and also serving as a basis for future studies in this area of energy mensuration used by different types of consumers.

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  • NELSON DE FIGUEIREDO BARROSO
  • Estratégia de Monitoramento de Sistemas Distribuídos Baseada em Observadores do tipo Kalman

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendes
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 20/11/2017
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  • Neste trabalho é proposta uma estratégia para monitoramento de sistemas a parâmetros distribuídos (SPDs) baseada em observadores do tipo Kalman. São considerados SPDs com atuação na borda de entrada, tal que, em condições normais de operação, a medição da variável a ser monitorada esteja disponível apenas na borda final do processo. O objetivo principal é recuperar a informação do comportamento dinâmico da variável de interesse em qualquer ponto intermediário do SPD. Em particular, assume-se que o modelo fenomenológico do processo seja desconhecido ou que seus parâmetros físicos sejam difíceis de serem estimados. Nesses casos, propõe-se também uma metodologia alternativa baseada em técnicas de identificação de sistemas a parâmetros concentrados, para obtenção de modelos adequados ao projeto de observadores. Para tanto, o SPD é aproximado por dois modelos lineares a parâmetros variantes (LPV) interconectados cuja configuração resultante permite que a variável a ser monitorada seja conhecida ao longo do sistema, por meio da dependência espacial dos seus parâmetros e do efeito desses na dinâmica dos dois subsistemas interconectados. Sob essa perspectiva, as variáveis de saída de cada subsistema são assumidas como variáveis de estado e um modelo geral LPV no espaço de estados é obtido. Uma vez que um modelo adequado é construído, observadores do tipo Kalman podem ser implementados. O uso dos observadores é fundamental devido à sua propriedade de correção das estimativas e possibilidade de acrescentar informações extras à dinâmica do modelo, tais como, a estimação em tempo real de parâmetros e de distúrbios. Uma das principais vantagens da estratégia de monitoramento proposta é que, embora o modelo final obtido mantenha a característica espaço-dependente de um SPD, ele é, localmente, um modelo a parâmetros concentrados. Dessa forma, as técnicas de observação de estados aplicáveis a sistemas pertencentes à classe dos sistemas a parâmetros concentrados podem ser prontamente utilizadas. Outro ponto positivo, é que as informações das incertezas obtidas no processo de identificação podem ser utilizadas para o cálculo dos ganhos ótimos no projeto dos observadores. A estratégia de monitoramento proposta é aplicada a um sistema térmico e os resultados obtidos ilustram a simplicidade e bom desempenho da técnica proposta. Palavras-chave: Sistemas a parâmetros distribuídos. Modelos LPV. Subsistemas interconectados. Observadores de estado.


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  • In this work, a strategy for distributed parameters systems (DPS) monitoring, based on Kalman-like observers is proposed. We consider DPS with input edge operation, such that, under normal operating conditions, the measurement of the variable to be monitored is available only at the final edge of the process. The main objective is to recover information about the dynamic behavior of the variable of interest at an intermediate point of the DPS. Particularly, it is assumed that the phenomenological model of the process is unknown or that its physical parameters are difficult to be estimated. In these cases, an alternative methodology based on system identification techniques for lumped parameter systems is proposed to obtain suitable models for observer design. For that, the DPS is approximated by two interconnected linear parameter varying models (LPV) whose resulting configuration allows the variable to be monitored throughout the system, by the spatial dependence of its parameters and their effect on the dynamics of two interconnected subsystems. From this point of view, the output variables of each subsystem are assumed as a state variable and a general LPV model in state-space is obtained. Once a suitable model is constructed, Kalman-like observers can be implemented. The use of observers is fundamental because of their estimation correction property and the possibility of adding extra information to the model dynamics, such as real-time estimation of parameters and disturbances. One of the main advantages of the proposed monitoring strategy is that, although the final model obtained maintains the space-dependent characteristic of a DPS, it is locally a lumped parameter model. Thus, state observation techniques applicable to systems belonging to the class of the lumped parameters systems can be readily used. Another positive point is that the information of the uncertainties obtained in the identification process can be used to calculate the optimal gains in the observer design. The proposed monitoring strategy is applied to a real thermal system and the performance of the proposed technique is validated from the experimental data.

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  • MATEUS CLEMENTE DE SOUSA
  • Análise de Estabilidade e Desempenho Robusto e Síntese de Controladores Robustos Através do Método Evolução Diferencial para Sistemas Discretos
     
     
  • Orientador : EDUARDO NUNES GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • ERIVELTON GERALDO NEPOMUCENO
  • FERNANDO DE OLIVEIRA SOUZA
  • Data: 12/12/2017
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  • A presente dissertação expõe metodologias de análise e síntese para sistemas de controle robusto, sendo estes sistemas, discretos, incertos, lineares e invariantes no tempo. São considerados modelos politópicos para representar os sistema incertos. Formulações baseadas em desigualdades matriciais lineares com propósito de análise e síntese de sistemas controle robusto são populares, porém, podem gerar resultados conservadores ou fracassar na obtenção dos resultados, principalmente para sistemas de ordem mais elevada e/ou com maior número de vértices do politpo. Em trabalho passado foi demonstrado que a combinação de uma formulação de análise baseada em desigualdades matriciais lineares com uma técnica de divisão de politopos, consegue-se definir se um sistema politópico é robustamente estável ou não. Também, é possível calcular os custos garantidos H-infinito e H2 com precisão desejada na análise de desempenho robusto. No entanto, esta metodologia apresenta a desvantagem de um crescimento elevado do custo computacional com a complexidade do sistema. Trabalhos recentes apresentaram metodologias de análise e síntese de sistemas de controle robusto baseado no método evolução diferencial para sistemas em tempo contínuo. Os objetivos iniciais dessa dissertação são adaptar, aprimorar e avaliar tais metodologias para sistemas discretos. Um importante aprimoramento proposto está relacionado com a forma de criação da população inicial na metodologia de análise que aumenta a confiabilidade da mesma. São apresentados os resultados de teste exaustivos para averiguar a confiabilidade das metodologias de análise robusta. Um requisito em problema de controle robusto é a otimização do desempenho e a estabilidade de infinitos sistemas no domínio de incerteza, sendo este, um problema de otimização semi-infinita de solução complexa. Em trabalho anterior foi desenvolvido a resolução de tal problema por um procedimento iterativo de dois passos, síntese e análise. No passo de sínte se é obtido o controlador ótimo considerando um conjunto finitos de pontos e no passo de análise o controlador é validado para o conjunto infinito ou é a verificado a necessidade de acrescentar mais pontos no conjunto finito. Na implementação original, estes passos são baseados no algoritmo cone-elipsoidal e no método Branch-and-Bound. Em trabalho recente foi proposto aplicar o algoritmo de otimização evolução diferencial para ambos os passos do procedimento de síntese para sistemas em tempo contínuo. Os principais objetivos dessa dissertação são adaptar, aprimorar e avaliar o procedimento iterativo de síntese robusta baseado no método evolução diferencial para sistemas discretos. São apresentados três exemplos ilustrativos para comprovação da eficiência de procedimento de síntese.
     
     

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  • The present dissertation exposes methodologies of analysis and synthesis for robust control systems, being these systems, discrete, uncertain, linear and time invariant. It is considered polytopic models to represent the uncertain systems. Formulations based on linear matrix inequalities with the purpose of analysis and synthesis of robust control systems are popular, however, they can generate conservative results or fail to obtain the results, especially for systems of higher order and / or with greater number of polytope vertices. In previous work it has been shown that combining an analysis formulation based on linear matrix inequalities with a polytope splitting technique, it is possible to define whether a polytopic system is robustly stable or not. Also, you can compute the guaranteed H-infinity H2 costs with the desired precision in robust performance analysis. However, this methodology presents the disadvantage of a high computational cost growth with the complexity of the system. Recent work has presented methodologies for the analysis and synthesis of robust control systems based on the differential evolution method for continuous time systems. The initial objectives of this dissertation are to adapt, improve and evaluate such methodologies for discrete systems. An important improvement proposed is related to the way of creation of the initial population in the methodology of analysis that increases its reliability. Comprehensive test results are presented to ascertain the reliability of the robust analysis methodologies. A requirement in robust control problem is the optimization of the performance and stability of infinite systems in the domain of uncertainty, this being a problem of semi-infinite optimization with complex solution. In previous work the resolution of such problem was developed by an iterative two-step procedure, synthesis and analysis. In the synthesis step the optimal controller is obtained considering a finite set of points and in the analysis step the controller is validated for the infinite set or it is verified the need to add more points in the finite set. In the original implementation, these steps are based on the cone-ellipsoidal algorithm and the Branch-and-Bound method. In recent work it was proposed to apply the differential evolution optimization algorithm for both steps of the synthesis procedure for continuous time systems. The main objectives of this dissertation are to adapt, improve and evaluate the iterative procedure of robust synthesis based on the differential evolution method for discrete systems. Three illustrative examples are provided to prove the efficiency of the synthesis procedure.
     
     
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  • Ronaldo Quintão Marinho
  • Detecção de Falhas de Dirigibilidade Veicular Através da Análise de Tempo-Frequência de Oscilações do Sinal de Giro de um Motor a Combustão Interna.

  • Orientador : HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • GIOVANI GUIMARAES RODRIGUES
  • LEONARDO BONATO FELIX
  • WALLACE DO COUTO BOAVENTURA
  • Data: 12/12/2017
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  • Um importante quesito no desenvolvimento de um veículo automotor é a
    dirigibilidade veicular.  Esta exigência é de suma importância para os
    fabricantes e a iteraçãoo do condutor com o veículo deve ser dada de forma
    confortável. Para avaliar este quesito, a resposta do motorista é atendida
    em seus vários modos de operação. Esta resposta pode ser influenciada direta
    ou indiretamente por fenômenos associados ao processo de combustão num
    motor de combustão interna. As principais causas são anormalidades no
    sistema de admissão de ar, injeção de combustível ou de ignição, ou pelos
    efeitos causados pelas manobras do usuário do veículo. Para os engenheiros que
    trabalham com o sistema de controle do motor, o conhecimento do
    comportamento das variáveis do sistema é muito importante. Por conseguinte, observa-se que o sinal do sensor da rotação do motor apresenta uma reflexão direta para manobras ou falhas de condução.
    Neste trabalho, são analisadas as oscilações dos sinais do sensor da
    rotação do motor para uma associação as falhas de dirigibilidade. Além
    disso, uma metodologia baseada na transformada wavelet e cálculo de entropia é
    proposta para detectar a falha de dirigibilidade. Com a informação obtida,
    o sistema de controle pode ser adequadamente ajustado


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  • An important issue for the vehicle development is the vehicle drivability.
    This requirement is very important for vehicle manufactures and the driver
    iteration should be given in a comfortable way. In order to evaluate this
    issue, the driver response is reached in its several operating modes. This
    response may be directly or indirectly influenced by the associated
    phenomena with the process in an internal combustion engine. The main causes
    can be an abnormality in the air intake, fuel injection or ignition system,
    or by the effects caused by the user's maneuvers of vehicle. For engineers
    who work with the engine control system, the knowledge of the system variables and it behavior is very important. Therefore, it is observed that the signal of
    engine  crankshaft sensor presents a direct reflection of maneuvers or vehicle
    drivability failures.
    In this work the engine crankshaft sensor signals oscillations are
    analyzed. Besides, a methodology based on the wavelet transform and entropy
    calculation is proposed to detect this drivability failure. With this obtained
    information, the control system can be properly adjusted in order to
    improve the drivability.

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  • Raphaella Luiza Resende da Silva
  • Otimização, Análise e Construção de um Retificador de Baixíssima Potência para Aplicações em Transmissão de Energia sem Fio e Colheita de Energia.

     
     
  • Orientador : SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • SANDRO TRINDADE MORDENTE GONCALVES
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Gláucio Lopes Ramos
  • ROSE MARY DE SOUZA BATALHA
  • Data: 15/12/2017
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  • Com o avanço da tecnologia e surgimento de diversos dispositivos portáteis utilizados no dia a dia, a necessidade de um sistema que colete e transfira energia sem a utilização de meios físicos torna-se ainda mais evidente. O sistema capaz de coletar a energia do ar através de uma antena e converter essa energia de radiofrequência em energia de corrente contínua para entregá-lo a uma carga é conhecido como rectena. O circuito retificador é uma importante parte da rectena. No entanto, devido ao fato da energia estar disponível no ar em níveis baixíssimos de potência e a algumas perdas no sistema, encontrar um circuito retificador com alta eficiência é um grande desafio. Neste trabalho, diferentes topologias de circuito retificador são otimizadas, utilizando o Algoritmo Genético, com diferentes diodos, cargas, impedâncias e dimensões de microfitas, a fim de se obter a maior eficiência e tensão de saída possível. Além disso, uma análise é realizada para a compreensão da influência de alguns parâmetros na resposta do circuito retificador, tais como, a frequência de operação, potência de entrada, valor da carga, diodo e dimensões das microfitas. É realizada também a abordagem de um método para caracterização do material dielétrico utilizado na simulação e construção dos circuitos. O trabalho apresenta ainda a modelagem e construção do circuito retificador, resultante do processo de otimização, que melhor atende aos requisitos necessários para a aplicação de coleta e transferência de energia sem fio


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  • With the advancement of technology and the emergence of various portable devices used in everyday life, the need for a system that collects and transfers energy without the use of physical means becomes even more evident. The system capable of collecting air energy through an antenna and converting that radiofrequency energy into direct current energy to deliver it to a load is known as rectenna. The rectifier circuit is an important part of the rectena. However, because the power is available in the air at very low levels and some losses in the system, finding a rectifier circuit with high efficiency is a great challenge. In this work, different rectifier circuit topologies are optimized, using the Genetic Algorithm, with different diodes, loads, impedances and microstrip dimensions, in order to obtain the highest efficiency and output voltage. In addition, an analysis is performed to understand the influence of some parameters on the response of the rectifier circuit, such as frequency of operation, input power, load value, diode and microstrip dimensions. It is also carried out the approach of a method for characterization of the dielectric material used in the simulation and construction of the circuits. The work also presents the modeling and construction of the rectifier circuit, resulting from the optimization process, which best meets the requirements for the application of wireless energy harvesting and transfer.
     
     
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  • GUSTAVO CIRO RIBEIRO
  • Uso de Métodos sem Malha para Avaliação de Campos Eletromagnéticos Gerados por Linhas de Transmissão Trifásicas Aéreas
     
     
  • Orientador : EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALFRED GIMPEL MOREIRA PINTO
  • EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • LEÔNIDAS CHAVES DE RESENDE
  • RAFAEL SILVA ALIPIO
  • Data: 18/12/2017
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  • Os métodos sem malha são ferramentas numéricas promissoras para aplicações em engenharia. A principal característica destes métodos é que os mesmos não necessitam de uma malha como a existente em métodos como o de Elementos Finitos. Existe apenas um conjunto de nós distribuídos em uma região conhecida como o domínio do problema. O presente trabalho visa desenvolver modelos computacionais para problemas de contorno quase-estáticos e resolvê-los através de métodos sem malha. Neste contexto busca-se uma nova abordagem através da aplicação do método sem malha denominado Element-Free Galerkin Method (EFGM) visando o cômputo de campos magnético e elétrico nas proximidades de Linhas de Transmissão (LTs) de alta tensão. Serão realizadas, ainda neste trabalho, análises comparativas entre as soluções com o método proposto, modelos analíticos e soluções geradas com o Método de Elementos Finitos.


  • Mostrar Abstract
  • Meshless methods are promising numerical tools for engineering applications. The main characteristic of these methods is that they do not require a mesh like that found in methods such as Finite Elements. There is only one set of nodes distributed in a region known as the problem domain. The present work itend to develop computational models for quasi-static boundary problems and to solve them through meshfree methods. In this context, a new approach is sought through the application of the meshless method called Element-Free Galerkin Method (EFGM) aiming computation of magnetic and electric fields in the proximity of High Voltage Transmission Lines (TLs). In this work, we will perform comparative analyzes between the solutions with the proposed method, analytical models and solutions generated with the Finite Element Method.
     
     
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  • Talles Barbosa Portilho
  • Estudo e Projeto de um Retificador Controlado de Três Níveis com Limitação da Corrente de Partida a Tiristor
     
     
  • Orientador : MARCELO MARTINS STOPA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALEX SANDER AMAVEL LUIZ
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MARCELO MARTINS STOPA
  • Marcos Antônio Severo Mendes
  • Data: 20/12/2017
  • Mostrar Resumo
  • Este trabalho compreende o estudo e desenvolvimento de um retificador trifásico controlado de três níveis. Com base em trabalhos existentes na literatura, realiza-se um estudo e seleção da topologia a ser utilizada por meio da comparação do nível de complexidade do controle e da estrutura topológica. Na sequência, com o objetivo de se obter uma combinação ótima entre controle e topologia para aplicação na indústria, realizou-se a escolha da técnica de controle e modulação mais adequada. Uma vez definidas a técnica de controle, a técnica de modulação e a topologia, o sistema foi simulado utilizando os softwares Matlab Simulink® e PLECS Standalone®. De posse da plataforma de simulação, com os parâmetros selecionados, foi possível determinar os ganhos dos controladores PI, verificar o correto funcionamento do sistema, realizar um estudo de perdas por comutação e por condução a fim de definir o sistema de dissipação de calor. Além desses aspectos tradicionais, as simulações permitiram o estudo de aspectos específicos da topologia. A primeira característica observada foi o controle de balanceamento das tensões nos capacitores do barramento c.c., cuja implementação pode ser determinante para o bom funcionamento do retificador. O segundo aspecto observado foi como os diferentes padrões de comando das chaves interferiam nas formas de ondas e nas perdas térmicas do retificador. Em terceiro lugar, foi avaliada a possibilidade do retificador atuar como um compensador complementar de potência reativa. Por fim, os diodos de entrada da topologia foram substituídos por tiristores, com o intuito de possibilitar o controle da corrente de partida e a proteção dos dispositivos do circuito de potência, assunto até então não abordado em outros trabalhos na literatura. Valendo-se dos dados encontrados em simulação, do projeto da estrutura mecânica desenvolvido pelo autor e dos manuais dos equipamentos utilizados, foi realizada a montagem elétrica e mecânica de um protótipo.
     
     

  • Mostrar Abstract
  • This work comprises the study and development of three-phase three-level controlled rectifier. Based on existing works in the literature, a study is carried out to select the topology to be used, comparing the complexity level of the control and the topology. Following up, the control and modulation technique is chosen based on some possibilities intending to achieve an optimal combination between control and topology for industry application. After defined its main characteristics, the system was simulated using the software Matlab Simulink® and PLECS Standalone® to determine the gains of the controllers, verify the possibility of implementation of the rectifier's prototype and also to assist in the study of switching and conduction losses, to define the system of heat dissipation. Other subjects addressing specific characteristics of the topology were analyzed and implemented. The first one was the implementation of the capacitors voltage balancing control of the d.c. bus, which can be determinant for a good operation of the rectifier. The rectifier waveforms and the thermal losses were analyzed for different switching patterns of the semiconductor devices. Then the possibility of the rectifier to operates as a complementary source of reactive power was evaluated. Finally, it was implemented in simulations the starting current control and the protection of the power circuit devices by replacing the input diodes with thyristors, subject not addressed in other works in the literature. The electrical and mechanical prototype assembly was carried out using as the simulation results, the mechanical structure designs and equipments datasheet. The development of a specific trigger circuit for the rectifier's thyristor was performed.
     
     
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  • ADRIANO NOGUEIRA DRUMOND LOPES
  • Seguimento de Referência em Controle de Sistemas Não-Lineares sob Restrições via Modelagem Takagi-Sugeno

  • Orientador : VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NUNES GONCALVES
  • Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira
  • VALTER JUNIOR DE SOUZA LEITE
  • Data: 20/12/2017
  • Mostrar Resumo
  • Neste trabalho são investigadas condições para síntese de controladores do tipo PI com ganhos fuzzy, considerando a existência de não linearidades e, em especial, saturação de atuadores. Nesse caso, as condições propostas asseguram a estabilização assintótica do sistema controlado em uma regi˜ao do espaço de estados. Para isso, é utilizado um sistema real de tanques acoplados com uma não-linearidade e medidores e atuadores com características industriais. É adotada a modelagem fuzzy Takagi-Sugeno (TS) para obter uma representação desse sistema em tempo discreto. São investigadas duas abordagens de controladores por realimentação de estados com ação integral para cômputo do ganho fuzzy do integrador: na primeira, a estrutura adotada é uma compensação distribuída paralela (PDC, do inglês parallel distributed compensation), e na segunda os ganhos são do tipo não-PDC, obtidos a partir de uma manipulação algébrica que envolve a inversão de matrizes associadas à dinâmica do sistema controlado. A síntese dos ganhos fuzzy é feita via procedimentos de otimização convexa que visam: i) maximizar a região de atração; ii) maximizar o máximo excursionamento do sinal de referância; e iii) melhorar o desempenho do sistema, minimizando a λ-contratividade. As condições propostas asseguram a estabilidade para entradas exógenas limitadas em amplitude. Isso permite implementar o seguimento de referência, assegurando a convergência da variável controlada para o valor de referência desejado. É utilizado um controlador lógico programável (CLP) para o intertravamento de segurança do sistema e também como interface entre o sistema controlado e o computador que implementa o controlador fuzzy em linguagem Python. São realizados vários experimentos que ilustram a viabilidade da proposta em ambiente industrial sem a necessidade de maiores investimentos em equipamentos.


  • Mostrar Abstract
  • Synthesis conditions of PI controllers with fuzzy gains are investigate in this work, considering the existence of nonlinearities and, in particular, actuators saturation. The proposed conditions ensure the asymptotic stabilization of the controlled system in a region of state space. A real system of coupled tanks with a non-linearity and, sensors and actuators with industrial characteristics are used. To obtain a representation of this system in discrete time a Takagi-Sugeno (TS) fuzzy model is adopted. Two approaches are investigated by state feedback controllers with integral action to compute integrator fuzzy gain: first, the adopted structure is a parallel distributed compensation (PDC) and in the second the gains are non-PDC, obtained from an algebraic manipulation that involves the inversion of matrices associated to the dynamics of the controlled system. The fuzzy gains synthesis is done via convex optimization procedures that aim to: i) maximize the region of attraction; ii) maximize the maximum excursion of the reference signal; and iii) improve system performance by minimizing λ-contrativity. The proposed conditions ensure stability for amplitude bounded exogenous inputs . This allows the implementation of tracking, ensuring the convergence of the controlled variable to the desired reference value. A programmable logic controller (PLC) is used for the system safety interlock and also as interface between the controlled system and the computer that implements the fuzzy controller in Python language. Several experiments are carried out that illustrate the feasibility of the proposal in an industrial environment without the need for greater investments in equipment.
    Keywords:
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  • PEDRO RODRIGUES SILVA
  • Estudo do Efeito da Composição Solar no Desempenho de Módulos FV Caracterizados em Condições Reais de Operação

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ANA PAULA BATISTA
  • HEVERTON AUGUSTO PEREIRA
  • MAURY MEIRELLES GOUVEA JUNIOR
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 20/12/2017
  • Mostrar Resumo
  • A caracterização de sistemas fotovoltaicos é um tema emergente que tem atraído a atenção de muitos pesquisadores, uma vez que a geração fotovoltaica está em expansão em todo mundo. A caracterização dos sistemas fotovoltaicos em condições reais de operação nas usinas de geração fotovoltaica ainda é um desafio. Os altos custos dos sistemas de caracterização e a dificuldade de medição do grande número de variáveis envolvidas no processo são fatores que dificultam a caracterização in loco. Em geral, os painéis fotovoltaicos são caracterizados pelos fabricantes a partir de ensaios realizados em laboratório nas condições padrões de testes (STC - Standard Test Conditions). Essas condições padrões são definidas para uma temperatura de 25C, radiação de 1000W=m2 e massa de ar (AM) 1;5G estabelecidas pela norma IEC-60904-3:2016. Contudo, essas condições dificilmente são encontradas em condições reais de funcionamento dos painéis fotovoltaicos, pois os mesmos estão sujeitos a diversos tipos de interferências, por exemplo: sombreamentos, reflexão e variações de temperatura. Nesse sentido, o desenvolvimento de metodologias e sistemas de baixo custo que possibilitem a caracterização e análise dos painéis fotovoltaicos em ambientes externos se torna de grande relevância. Neste trabalho desenvolveu-se um sistema de medição e caracterização de painéis fotovoltaicos com o uso de sensores de baixo custo. Diversos experimentos foram realizados utilizando um painel fotovoltaico de 80W, em diferentes dias e horários do ano para prover uma base de dados para análise. A partir dos dados coletados de variáveis elétricas e ambientais relevantes, foi possível obter as curvas características experimentais do painel em diferentes condições operacionais. Além dos dados experimentais, foram utilizadas simulações computacionais para obtenção das curvas características baseadas no modelo de dois diodos. As curvas características reais e simuladas foram comparadas nas análises. Pôde-se constatar que para algumas faixas de radiação incidente e temperatura o modelo prevê uma geração de energia menor que a medida em campo. Essa previsão menor de energia pelo modelo utilizado pode afetar o projeto dos sistemas fotovoltaicos, uma vez que, esses sistemas utilizam uma quantidade elevada de módulos fotovoltaicos. Apresenta-se análises relacionadas ao impacto da massa de ar na distribuição da radiação para as faixas do espectro solar avaliadas (UV, visível e global) além da influência da temperatura. Os resultados obtidos podem ser utilizados para a obtenção de modelos mais precisos e demonstram a importância de se realizar a caracterização dos módulos em condições reais de operação.


  • Mostrar Abstract
  • The photovoltaic systems characterization is an emerging issue that has attracted the attention of many researchers recently, since photovoltaic generation is expanding worldwide. The characterization of photovoltaic systems under real operating conditions is still a challenge. The high costs of the characterization systems and the difficulty of measuring the several variables involved in the process make it difficult to characterize them on site. In general, photovoltaic panels are characterized by manufacturers by laboratory tests under Standard Test Conditions (STC). These Standard Test Conditions are determined for a temperature of 25C, irradiance of 1000W=m2 and air mass (AM) of 1:5G established by IEC-60904-3:2016. However, these conditions are hardly to found under real working conditions of photovoltaic panels because they are subject to various types of interference, for example: shading, reflection and temperature variations. Hence, the development of low-cost methodologies and systems that allow the characterization and analysis of panels in real operating conditions becomes of great relevance. In this work a measurement and characterization system were developed using of low-cost sensors. Several experiments were carried out, using a photovoltaic panel of 80W, on different days and hours to provide a database for analysis. From the collected data of relevant electrical and environmental variables, it was possible to obtain the experimental characteristic curves of the panel under different operating conditions. In addition to the experimental data, computational simulations were made to obtain the characteristic curves based on the two-diode model. The experimental and simulated characteristic curves were compared in the analyzes. It could be observed that for some ranges of incident irradiance and temperature the model predicts a lower power generation than the obtained-on field. It is presented analyzes related to the impact of the air mass on the distribution of the irradiance for the bands of the evaluated solar spectrum (UV, visible and global) besides the influence of temperature. The results obtained can be used to yield more accurate models and demonstrate the importance of performing the characterization of the modules under real operating conditions.

2016
Dissertações
1
  • TATIANE DE SA PEREIRA
  • MODELOS ZIP PARA CARGAS LINEARES E NÃO LINEARES E SUA INFLUÊNCIA NA MODELAGEM HARMÔNICA

  • Orientador : PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO GONZAGA DA SILVEIRA
  • MARCIO MELQUIADES SILVA
  • Maria Helena Murta Vale
  • PATRICIA ROMEIRO DA SILVA JOTA
  • Data: 15/12/2016
  • Mostrar Resumo
  • Este trabalho apresenta uma metodologia de análise dos efeitos da modelagem das
    cargas na frequência fundamental para determinação dos dados de entrada dos
    modelos harmônicos. Tanto a carga linear quanto a não linear foram representadas
    pelo modelo ZIP na frequência fundamental. Esse é um modelo de cargas que leva
    em consideração o efeito da variação da tensão aplicada à carga e é composto por
    parcelas do tipo impedância constante, corrente constante e potência constante. Foi
    possível analisar de forma mais detalhada o impacto do uso destes modelos nas
    distorções harmônicas de um sistema elétrico. Usualmente, os estudos de
    harmônicos consideram como dados de entrada valores nominais de corrente e
    potência na frequência fundamental e modelam cargas não lineares como fontes de
    corrente constantes e cargas lineares como circuitos RL série. Além desse
    modelamento, várias análises de sensibilidade são realizadas para verificar a
    influência de outros modelos de harmônicos existentes na literatura, frente à
    resposta em frequência do sistema. Diversos softwares comerciais, utilizados para
    análises harmônicas, não contemplam a abrangência dos modelos apresentados
    neste trabalho e, portanto, podem apresentar resultados distorcidos quanto à
    frequência de ressonância do sistema ou, até mesmo, não detectar distorções
    harmônicas maiores que os limites estabelecidos por norma. Dessa forma, um
    modelamento inadequado de cargas durante os estudos harmônicos pode provocar
    danos em equipamentos elétricos e gerar penalidades por parte da concessionária
    de energia, o que compromete ou, até mesmo, inviabiliza o funcionamento parcial ou
    total de um sistema elétrico.



  • Mostrar Abstract
  • This work presents a methodology to analyse the effects of fundamental frequency
    load modelling and its influence in harmonic model. The modelling of linear and nonlinear load by ZIP model on fundamental frequency was done. This is a load model
    that considers the effect of the variation of the voltage applied to the load and is
    composed of portions of constant impedance, constant current and constant power. It
    was possible to analyse in more detailed the usage impact of these models in the
    harmonics of an electrical system. Harmonic studies usually consider the nominal
    values of current and power at fundamental frequency as input data and models nonlinear load as constant current sources and linear loads as RL series circuits. In
    addition to this modelling, several sensitivity analyses are carried on to verify the
    influence of other harmonic models found in the literature, regarding the frequency
    response of the system. Several commercial softwares used for harmonic analyses
    do not consider all details presented in this work and therefore, may output
    inaccurate results related to the system resonance frequency or even not detect
    harmonic distortion greater than permitted by regulation standards. Therefore, an
    improper load modelling during the harmonic studies can cause damage to electrical
    equipment and generate energy utility fines, which compromises or, even, makes the
    electrical system operation unfeasible partially or totally.


2014
Dissertações
1
  • Biharck Muniz Araújo
  • "Técnicas de Computação Paralela Aplicadas em Métodos Sem Malha".

  • Orientador : EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO HENRIQUE DA ROCHA COPPOLI
  • MARCIO MATIAS AFONSO
  • URSULA DO CARMO RESENDE
  • Data: 19/05/2014
  • Mostrar Resumo
  • Dentro da vasta variedade de métodos numéricos aplicados a solução de equações diferenciais parciais estão os Métodos sem Malha ou Métodos sem Malha. O que caracteriza esta classe de métodos e o fato dos mesmos não necessitarem de malhas como as utilizadas em métodos como os de Elementos Finitos, por exemplo. Quando se trata de estruturas que constantemente realizam alterações de sua forma, este tipo de abordagem pode ser muito eficiente, reduzindo o custo de reconstrução da malha a cada iteração. Todavia, este tipo de solução apresenta um custo computacional relativamente elevado para sua resolução numérica. Este trabalho apresenta técnicas de paralelização aplicadas a problemas de eletromagnetismo avaliados por meio de Métodos sem Malha. Ao longo deste trabalho são apresentadas técnicas de paralelismo em nível de memória compartilhada e através de troca de mensagens, além do uso de Solvers paralelizados utilizados na solução de sistemas lineares. O problema utilizado como estudo de caso é o modelo sem malha de uma máquina elétrica de indução trifásica em movimento, em que podem ser avaliadas o fluxo magnético em seu interior, as correntes e tensões em seus condutores, além de possível a visualização de seu movimento.


  • Mostrar Abstract
  • Within the wide range of numerical methods applied to the solution of Partial Differential Equations are the Meshless Methods. What characterizes this class of methods is the fact that they do not have meshes used as in Finite Element Methods. When it comes to structures that constantly changes their shape, this type of approach can be very efficient, reducing the cost of rebuilding the mesh at each iteration. However, such solution has a relatively high computational cost for numerical resolution. This work presents parallelization techniques applied to problems in electromagnetics by Meshless Methods. Throughout this paper, parallelism techniques through shared memory and message-passing are presented, and the use of parallel solvers used in the solution of linear systems. The problem used as a case study is the model without mesh of a three-phase induction electric machine in motion, which can be evaluated in the magnetic flux in its interior, the currents and voltages in their drivers, as well as possible to see their movement.

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