Teses - Engenharia Elétrica - FEB

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Reformulação do problema de fluxo de potência ótimo discreto com restrições disjuntivas e de complementaridade
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-08-03) Alencar, Marina Valença; Soler, Edilaine Martins [UNESP]; Silva, Diego Nunes da; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
O sistema elétrico de potência é um sistema complexo, que contém uma série de dispositivos controláveis que influenciam diretamente no seu desempenho. Devido a tal complexidade, abordagens de modelagem e solução a partir de técnicas de otimização têm sido cada vez mais utilizadas para auxiliar na operação de tais sistemas. Entre estas ferramentas, pode-se citar o Fluxo de Potência Ótimo (FPO), o qual pode ser modelado como um problema de otimização restrito, não linear e não convexo. Propõe-se neste trabalho um modelo para o problema de FPO que visa minimizar o custo de geração de potência ativa considerando as variáveis contínuas e discretas, os efeitos de ponto de carregamento de válvula, zonas de operação proibidas, múltiplas opções de combustíveis e a atuação dos dispositivos de controle por meio de restrições de complementaridade. Além disso, propõe-se uma abordagem de resolução que integra estratégias para tratamento da não diferenciabilidade que o efeitos de ponto de carregamento de válvula traz para a função objetivo, para tratamento das restrições disjuntivas relativas às zonas de operação proibidas e às múltiplas opções de combustíveis, bem como o tratamento das variáveis discretas e a reformulação para as restrições de complementaridade por meio de um problema equivalente, tornando-o viável de ser resolvido diretamente por solvers. A viabilidade da proposta foi analisada por meio de testes numéricos, utilizando os sistemas elétricos IEEE 30, 118 e 300 barras.
Cálculo de ofertas estratégicas por meio de sistema de curvas cota-preço Nodais com restrições de rede em mercados do dia seguinte
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-08-04) Cabana, Tiago Gomes; Nepomuceno, Leonardo [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
No mercado pool de energia do dia seguinte, o problema de cálculo de ofertas estratégicas (COE) de uma companhia geradora price-maker consiste em calcular as ofertas desta companhia no leilão de modo maximizar seus lucros. O COE tem sido formulado por meio de modelos de otimização bi-nível, em que o nível superior envolve a maximização dos lucros da companhia e o nível inferior envolve o problema de compensação de mercados (do inglês, market clearing procedure) utilizado pelo operador de mercado. Esta abordagem de COE apresenta dificuldades devido à necessidade de que o problema de nível inferior seja convexo, o que não ocorre na operação prática dos mercados. Outra abordagem para o COE envolve a utilização de problemas de autoprodução (AP) que definem as ofertas ótimas da companhia geradora com base nas previsões de preços de equilíbrio do sistema fornecidos pela curva cota-preço, a qual relaciona o preço de equilíbrio do sistema com a cota aceita pela companhia. Entretanto, esta abordagem pode apresentar erros de estimação de preços associados às imprecisões da curva cota-preço. Esta tese tem por objetivo propor um modelo de COE baseado em modelos de AP e nas curvas cota-preço, que considera a representação de aspectos físicos e operativos práticos de unidades termelétricas, da rede de transmissão e de incertezas associadas às ofertas das unidades geradoras das demais companhias e aos lances dos consumidores. Para tanto, é proposto um sistema de curvas cota-preço nodais, obtido por meio de modelos de otimização, que reduz consideravelmente os erros de estimação de preços de equilíbrio e um novo modelo de AP que utiliza este sistema de curvas de modo a obter as ofertas estratégicas para o mercado do dia seguinte.
Desempenho dos transformadores de distribuição relacionado à geração distribuída
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-07-07) Carvalho, Fábio de Oliveira; Souza, André Nunes de [UNESP]; Amaral, Haroldo Luiz Moretti do; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Atualmente, busca-se o equilíbrio entre a oferta de energia e o consumo diante do aumento da população e do padrão de consumo atual, pois a utilização de recursos minerais ocasiona danos ao meio ambiente. Por essa razão, empenha-se em uma inserção na matriz energética de fontes renováveis. No âmbito da eletricidade, destacam-se os geradores fotovoltaicos pela facilidade de instalação, abundância de fonte solar e baixo custo. Permite-se o uso desse recurso em domicílios ou em qualquer ponto da rede, contribuindo para uma mais ampla penetração da geração distribuída. Esse cenário proporciona o surgimento de efeitos tais como fluxo reverso, sobretensão e distorções harmônicas, os quais podem interferir na integridade do sistema elétrico, dessa maneira necessitando que se desenvolvam estudos nesse sentido. O objetivo deste trabalho foi realizar uma análise do desempenho dos transformadores de distribuição em relação à inserção da geração distribuída. As diretrizes metodológicas adotadas se baseiam em normas nacionais e internacionais tais como, NBR 5356-7, NBR 5356-8, IEEE Std 57.110/2018 e IEEE Std 57.91/2011. No decorrer deste trabalho foi realizada uma simulação de um estudo de caso, considerando um transformador de distribuição de 112,5 kVA submetido a um carregamento genérico e distorções harmônicas de corrente. Nesse circuito foi introduzida uma geração distribuída. Os resultados obtidos sugerem uma redução na expectativa de vida do transformador, interferindo negativamente nos custos da empresa. Diante disso, conclui-se sobre a necessidade de se investigar a presença de distorções harmônicas nas redes de distribuição, além de um estudo profundo da sua interferência na operação dos diversos componentes do sistema elétrico, como o transformador.
Controle ótimo para manipulador robótico com três graus de liberdade sujeitos a fricção dependente de carga
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-02) Luz Junior, José Adenilson Gonçalves; Balthazar, José Manoel [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Este trabalho estuda a modelagem matemática e a implementação de um controle SDRE para um manipulador robótico com três graus de liberdade operando em Planejamento de Trajetória e com componentes de fricção dependentes de carga. O principal objetivo deste estudo está na compreensão de como a carga submetida aos elos influi na capacidade do manipulador de operar em uma determinada trajetória. A verificação da eficiência do modelo proposto foi feita em duas etapas, inicialmente uma simulação numérica buscando ajustes no modelo para a segunda etapa que consiste no desenvolvimento de um modelo prático do manipulador. A partir da comparação entre os dois grupos de dados obtidos é possível traçar um modelo teórico mais próximo do experimental e buscar cada vez mais refinamento nas modelagens dinâmicas dos manipuladores robóticos.
Estudo do atraso de propagação em redes complexas de osciladores
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-12-12) Felix, Roger Oliva; Bueno, Átila Madureira; Serni, Paulo José Amaral [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
As malhas de sincronismo de osciladores têm grande importância em diversas aplicações na física e na engenharia, pois permitem a correta distribuição das informações. Diversas estratégias de distribuição de sinais de relógio podem ser utilizadas, desde estratégias descentralizadas como as mutuamente conectadas, até estratégias fortemente hierarquizadas como as redes mestre-escravo. Em quaisquer das estratégias podem ocorrer problemas relacionados à instabilidade do sincronismo, além do surgimento de comportamentos oscilatórios irregulares, como nos casos de osciladores caóticos, devido ao comportamento não linear usualmente presente, principalmente em sistemas de alta ordem. As redes de osciladores também são muito importantes para o desenvolvimento de modelos matemáticos de diversos sistemas complexos, descrevendo o comportamento de sistemas físicos, biológicos e sociais. Nesse contexto, os sistemas complexos são caracterizados pela interação de seus componentes, levando à produção de novas informações ou comportamentos emergentes que não podem ser observados ou inferidos a partir das condições de contorno, o que limita a previsibilidade. Mediante os resultados obtidos neste trabalho foi possível concluir que o atraso de propagação existente nas redes de osciladores é considerado um comportamento emergente, e para atenuar esse comportamento indesejável aplicou-se um projeto de controle de sincronismo que apresentou um ótimo desempenho na sincronização de sinais. Portanto, o foco desse trabalho é o estudo do comportamento de modelos matemáticos de redes de osciladores, do ponto de vista de sistemas complexos, levando em consideração o atraso de propagação entre os nós das redes. Dado o exposto, o trabalho apresenta também o estudo do jitter de frequência dupla existente nas malhas de sincronismo e o estudo do projeto de controle de sincronismo baseado no conceito da estabilidade de Lyapunov que tem como objetivo garantir o sincronismo das redes de distribuição de sinais de relógios.
Otimização de projeto de conversores CC-CC baseados em redes de impedância do tipo Fonte-Y por meio do método de pontos interiores com barreira logarítmica
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-09-01) Almeida, Felipe Augusto Ferreira de; Gonçalves, Flávio Alessandro Serrão [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
A crescente utilização de cargas que operam em corrente contínua aliada aos avanços nas tecnologias de eletrônica de potência, possibilitaram o interfaceamento com sistemas de armazenamento de energia e fontes de energia renováveis impulsionando a utilização de conversores CC-CC de elevado ganho e rendimento em microrredes CC. Neste cenário, os conversores empregando redes de impedância vêm chamando a atenção devido a sua flexibilidade operacional e capacidade de obtenção de ganhos elevados. Assim, este trabalho apresenta contribuições no estudo de conversores CC-CC baseados em redes de impedância do tipo fonte-Y considerando a otimização de seu projeto por meio do método de pontos interiores com barreira logarítmica, ainda não explorada na literatura. Foram exploradas diferentes combinações de configurações de projeto do conversor relacionadas com a razão cíclica, fator de acoplamento K, tensão de entrada e potência de carga, para obtenção de condições de operação otimizadas. Especificamente, os processos de otimização das operações buscaram como objetivo primário a obtenção do máximo ganho considerando o atendimento de restrições relacionadas com valores mínimos de rendimento e limites máximos de esforços de tensão e corrente permitidos na chave e diodos. Adicionalmente, também foram efetuados estudos de otimização considerando pontos operacionais específicos relacionados com ganhos de tensão fixos, em diferentes faixas de potência e tensão de entrada, equivalentes a diferentes arranjos de módulos fotovoltaicos. A implementação dos métodos de otimização e as estimativas das grandezas elétricas baseadas nos modelos matemáticos do conversor não ideais foram efetuadas por meio do software MATLAB®. Por fim, com o objetivo de ratificar as configurações de projeto estabelecidas na otimização, simulações computacionais foram realizadas no software PSIM e resultados experimentais foram coletados em protótipo do conversor CC-CC fonte-Y para alguns pontos de operação. Tal conversor se mostrou viável para integração de fontes renováveis de energia, sendo uma opção com flexibilidade para atingir pontos operacionais por meio de diferentes configurações, que a depender da escolha otimizada do par razão cíclica e fator de enrolamento K pode diminuir o impacto das perdas no rendimento e possibilitar a obtenção de ganhos razoáveis com pequenos valores de razão cíclica.
Controle cooperativo de conversores distribuídos para o aprimoramento da qualidade de energia elétrica em microrredes isoladas
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-03) Rodrigues, Diego Tardivo; Paredes, Helmo Kelis Morales [UNESP]; Bonaldo, Jakson Paulo; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Microrredes trifásicas a 4-fios apresentam grandes desafios de operação uma vez que podem se tornar desbalanceadas, com a presença de componentes de sequência negativa e zero na tensão e na corrente. Quando estas microrredes operam de forma isolada, os desequilíbrios bem como a distorções harmônicas produzidas por cargas não lineares e desbalanceadas podem afetar a qualidade da energia e a estabilidade de operação do sistema. Adicionalmente, evitar uma possível sobrecarga de uma unidade geradora, proporcionado pela distribuição de cargas na microrrede bem como diferentes impedâncias de linha entre barramentos, tem sido atualmente um desafio. Logo a presente tese propõe contribuições focadas no compartilhamento de potência ativa, reativa, harmônicos e desequilíbrios em uma microrrede (MR) trifásica a 4-fios quando operada em modo ilhado. Os controladores são desenvolvidos para compartilhar proporcionalmente essas potências entre as unidades de geração distribuída (GD), com base no algoritmo consensus agindo de modo distribuído e utilizando o conceito de impedância virtual. Isto deve evitar sobrecarregar as unidades de GD uma vez que o sistema de controle deve garantir um compartilhamento adequado destas potências entre os GDs da MR. Em primeiro momento o trabalho apresenta uma estratégia para o compartilhamento de potências (ativa, reativa, harmônica e desbalanço) na MR, fazendo uso da CPT (do inglês Conservative Power Theory) no domínio das componentes simétricas generalizadas, bem como do algoritmo consensus para geração de impedâncias virtuais. Com esta técnica foi possível obter o desacoplamento dos efeitos das componentes de sequência negativa e zero no compartilhamento da potência de desbalanço o que é demonstrado por meio de uma análise comparativa com a metodologia encontrada na literatura, a qual faz uso da CPT. Na sequência é proposto um novo sistema de controle com foco no compartilhamento de corrente eficaz por fase ao invés do compartilhamento de potências. Este sistema é baseado também no algoritmo de consensus para equalizar o valor eficaz da corrente entre as fases dos GDs na MR isolada a 4-fios contendo cargas desequilibradas e não-lineares. Para fazer isto é utilizado um controle de droop por fase para regular a magnitude da tensão, e o compartilhamento da corrente harmônica é realizado utilizando o conceito de impedância virtual. Adicionalmente o controle proposto garante regulação de tensão, fazendo com que a MR opere no seu valor nominal de tensão. O algoritmo consensus além de propiciar compartilhamento do valor eficaz da corrente, também proporciona o compartilhamento igualitário do valor eficaz da corrente harmônica entre cada fase de cada GD que compõe a MR, bem como garante que a distorção harmônica da tensão no PAC de cada GD permaneça dentro dos limites definidos pelas normas. Resultados de simulações demonstram o funcionamento e a efetividade da estratégia de controle proposta. Por fim é apresentada uma nova proposta (usando o mesmo cenário do sistema estudado no início do trabalho), para que o compartilhamento das potências (ativa, reativa, harmônica e desbalanço) seja realizada por GD monofásicos e trifásicos da MR. Neste caso o droop foi alterado para regular a tensão por fase, bem como o algoritmo consensus e as impedâncias virtuais que também foram ajustadas por fase. Com isso, foi possível que geradores monofásicos ao serem inseridos na MR trifásica de 4-fios possam também compartilhar suas potências, ajudando na operação da MR.
Metodologia de inteligência de negócios para recomendação de alocação de fontes renováveis de energia
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-08) Palma, Eloá Carolina Nava Cardoso; Godoy, Eduardo Paciência [UNESP]; Sales, Jomil Costa Abreu; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
O presente trabalho propõe uma metodologia de Inteligência de Negócios (BI - Business Intelligence) a fim de auxiliar no processo de tomada de decisão e recomendação para a implantação de energias renováveis (eólica e solar) em determinada localização do território brasileiro. Essa metodologia é sistematizada num modelo hierárquico de quatro camadas, que considera a influência de múltiplas variáveis (técnica, econômica, geológica, climatológica e ambiental) para aprimorar a indicação de regiões favoráveis para a implantação de energia renovável. A primeira camada é a de Mineração de Dados, responsável pela captação de dados brutos dessa variáveis e transformação em informação. Esses dados brutos têm origem em diferentes fontes de dados oficiais (Global Solar Atlas, Global Wind Atlas, IBGE, Cadastro Nacional de Unidades de Conservação, Operador Nacional do Sistema e EMBRAPA), sendo transformados em mapas das variáveis com pontos georreferenciados (grid de 10 km x 10 km) em todo o território brasileiro. A segunda camada é a de Análise Fuzzy, baseada em um sistema de inferência com regras estabelecidas a fim de gerar a variável Potencial Eólico. A terceira camada é a de Análise AHP (Analytic Hierarchy Process), responsável pela análise multicritério das variáveis Potencial Solar, Potencial Eólico, Investimento Solar, Investimento Eólico, Declividade do solo, Geotecnia, Distância física das Linhas de Transmissão de energia elétrica e Consumo de Energia Elétrica. Essa camada reclassifica os valores dessas variáveis, através de uma hierarquia de pesos, padronizando suas saídas em índices Muito Baixo, Baixo, Moderado, Alto e Muito Alto. A quarta camada é a da Indicação, responsável pela álgebra de mapas das variáveis da análise AHP em conjunto com as áreas de unidades de conservação ambiental nacional. O resultado dessa camada é um mapa georreferenciado destacando as regiões do território brasileiro de acordo com seu potencial de implantação de energia solar e/ou eólica. A análise geral e em regiões específicas desses mapas, em confronto com suas indicações, comprovam a coerência dos resultados e validam a metodologia desenvolvida. Finalmente, a recomendação de implantação de energia solar e/ou eólica pode ser realizada com base no índice de favorabilidade ou indicação da fonte naquela localidade no território brasileiro
Identificação e classificação de curto entre espiras e desbalanço de tensão em motores de indução trifásicos utilizando sensores de corrente, emissão acústica e vibração com emprego de transformada Hilbert e transformada Wavelet
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-02) Rocha, Marco Aurélio; Andreoli, André Luiz [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
O motor de indução trifásico (MIT) é amplamente empregado em aplicações industriais para o acionamento de diversos tipos de cargas. Caso haja qualquer tipo de interrupção indesejada causada por falhas elétricas e mecânicas neste tipo de máquina, poderá haver prejuízos financeiros e produtivos diversos. Com isso, técnicas de monitoramento não invasivas vêm ganhando cada vez mais destaque no cenário industrial e acadêmico. Essas técnicas utilizam sensores que obtém informações físicas sobre a operação da máquina, tais como vibração, corrente e emissão acústica. A análise desses sinais se destacam como ferramentas tradicionais para a obtenção de características operacionais do motor de indução trifásico e diagnóstico de falhas. Dentre as falhas elétricas, o desequilíbrio de tensão (DT), bem como o curto entre espiras (ITSC, do inglês Inter-Turn Short-Circuit) de curta duração são falhas frequentes no MIT e que podem afetar o desempenho da máquina, gerando paradas inesperadas. Portanto, o objetivo deste trabalho é a proposição de técnicas de diagnóstico de falhas DT e ITSC utilizando sensores de corrente de efeito Hall, sensor MEMS e sensores piezoelétricos. Deste modo, o diagnóstico proposto permite a detecção da falha, a identificação da fase elétrica afetada e a classificação da magnitude da falta. Para isso, foram desenvolvidas duas técnicas de processamento baseadas no envelope do sinal analítico proveniente da Transformada Hilbert e na energia do sinal dos coeficientes de aproximação e detalhe da Transformada Wavelet Discreta (TWD). Por fim, verificou-se qual a influência que a variação do carregamento tem sobre as técnicas propostas para cada um dos três sensores utilizados. Os resultados demonstraram que tanto o sensor de corrente quanto o sensor piezoelétrico foram sensíveis para o diagnóstico das falhas elétricas ITSC e DT. No entanto, verificou-se que o sensor MEMS não apresentou resultados promissores para o diagnóstico completo de falhas elétricas levando em consideração todos os níveis de carregamento aplicados. Por fim, o principal resultado é o desempenho do sensores PZT juntamente com a TWD em comparação ao sensor de corrente, uma vez que o sensor acústico apresenta custo muito reduzido e mede indiretamente a variável afetada pela falha.
Identificação de falhas em rolamentos aplicados em motores de indução por meio de sensores de corrente de efeito hall, técnicas de processamento de sinais e sistemas inteligentes
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-03) Souza, Wallace Gabriel de; Andreoli, André Luiz [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Os motores de indução trifásicos pertencem ao conjunto das máquinas elétricas mais encontradas nas aplicações industriais. Devido às vantagens de baixo custo, robustez, confiabilidade e disponibilidade, muitas vezes são utilizados para operar em condições com elevadas taxas de umidade, altas temperaturas e dimensionamentos inadequados. A interrupção de um motor de indução levará à altos custos de manutenção e graves perdas financeiras devido aos tempos de paradas não programados das plantas industriais. Nesse caso, os rolamentos representam cerca de 40 a 50 % dos tipos de danos em máquinas elétricas, que afetam as condições operacionais do motor de indução, reduzindo a sua vida útil por meio de falhas. Como componente principal dos sistemas rotativos, os rolamentos ajudam a reduzir as perdas rotacionais e garantem o alinhamento do rotor em relação ao estator. Dessa maneira, a detecção e o diagnóstico precoce dos danos nos rolamentos garantem a segurança e o suporte para a manutenção preditiva das máquinas elétricas. À vista disso, inúmeras técnicas foram desenvolvidas para identificar anomalias na operação da máquina. Dentre elas, o monitoramento da corrente se destaca devido ao baixo custo e fácil acesso às plantas industriais. Com esse propósito, o presente trabalho propõe uma nova abordagem que utiliza métricas de agrupamentos de dados combinada com sistemas inteligentes na identificação de falhas nos rolamentos de um motor de indução trifásico pela assinatura da corrente do estator. Nesse caso, foram abordadas falhas que ocorrem na indústria, como os desgastes das pistas e das esferas dos rolamentos, a oxidação e os danos originados pelas das correntes de eixo. Nessa situação, foram utilizadas a transformada wavelet discreta, a largura de banda eficaz e a frequência média no processamento dos sinais amostrados. Essas técnicas possibilitam o treinamento de um sistema inteligente para identificar os danos nos rolamentos. Assim sendo, foi comparado o desempenho de uma rede neural artificial. Além disso, o índice silhouette foi utilizado como validação estatística da qualidade dos agrupamentos de dados obtidos a partir do conjunto de falhas nos rolamentos abordadas neste trabalho. A base de dados foi obtida por meio de experimentos laboratoriais realizados em uma máquina de indução de 4 CV sob condições de variação do conjugado para demonstrar que o método proposto não depende do torque do motor e pode ser aplicado em qualquer carregamento. Os resultados experimentais revelaram que a técnica proposta foi eficaz na identificação das falhas nos rolamentos neste trabalho.
Identificação e caracterização de curtos-circuitos temporários em motores de indução trifásicos por meio de emissão acústica, análise de corrente e técnicas avançadas de processamento de sinais
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-07-29) Leão, José Vital Ferraz; Andreoli, André Luiz [UNESP]; Castro, Bruno Albuquerque de [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Atualmente, tanto a indústria quanto a ciência têm buscado o desenvolvimento de técnicas não invasivas que avaliem a integridade dos motores de indução trifásicos (MIT). O objetivo é evitar ônus financeiros relacionados a paradas repentinas de linhas de produção e aos valores de manutenção/aquisição de novas máquinas. Uma das falhas mais comuns no MIT são os curtos- circuitos no enrolamento de estator, que se iniciam pela deterioração da isolação de espiras. Quando incipientes, essas falhas têm características temporárias, ou seja, se apresentam como curtos que perduram por um curto período de tempo e cessam, sendo conhecidos na literatura como curtos-circuitos temporários (CCTs). Os estágios incipientes dos CCTs são causados pela operação do MIT em ambientes com excessiva umidade, sujidades e altas temperaturas, levando a uma deterioração cumulativa da isolação do MIT. Várias técnicas de monitoramento de falha em MITs foram propostas na literatura, utilizando-se de diversos tipos de sensores. No entanto, ainda existe uma lacuna científica no estudo desse fenômeno. Baseado nesta problemática o objetivo deste trabalho é aplicar a técnica da Emissão Acústica (EA) e análise de correntes de linha para a detecção da ocorrência, identificação da fase afetada e classificação da severidade dos CCTs. Para tanto, foi desenvolvido um algoritmo de diagnóstico de falhas, composto pelo novo índice: o Valor Máximo da Correlação Cruzada (Cross-Correlation Maximum Value - CCMV), e as técnicas avançadas de processamento de sinais: Transformada Wavelet Discreta (TWD) e Análise de Componentes Principais (ACP). Os experimentos foram realizados com o auxílio de um MIT especialmente modificado para simular CCTs. Sensores acústicos e de corrente foram empregados para fornecer as variáveis de entrada necessárias para o funcionamento do algoritmo. Após a aplicação do novo método, os valores de CCMV detectaram corretamente a ocorrência da falha, além de classificar a magnitude dos curtos- circuitos. Ainda, a TWD em conjunto com a ACP identificou acertadamente qual fase foi afetada pela falha estudada. Adicionalmente, foi feita uma comparação dos resultados obtidos pela análise acústica em relação aos obtidos pela análise de corrente. Por fim, o método introduzido por esta Tese demonstra eficácia, originalidade e exequibilidade prática para o diagnóstico de CCTs em MITs.
Interação eletromagnética entre bobina fixa e imã permanente fixado em viga engastada excitada por fonte não-ideal de energia
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-07-01) Petrocino, Eduardo Abuhamad; Balthazar, José Manoel [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Esta tese de doutorado tem como alvo o estudo de um absorvedor eletromagnético em um sistema não ideal. Para isto, propõe-se uma investigação do comportamento dinâmico de uma viga engastada, com um motor de corrente contínua afixado na sua extremidade livre, tendo em seu eixo uma massa desbalanceada. Nesta mesma extremidade livre, está fixado um ímã permanente, que está imerso no interior de uma bobina fixada na base. Os ensaios experimentais são executados com a alimentação controlada do motor de corrente contínua e o monitoramento da rotação de seu eixo, aquisição de dados da aceleração da estrutura, da tensão induzida na bobina e da corrente consumida pelo motor. As sequências de testes são feitas com as condições impostas com a bobina aberta, com uma resistência e em curto-circuito. Todas estas condições são ensaiadas com a amplitude da tensão aplicada ao motor de forma crescente e decrescente. A oscilação paramétrica da viga ocorre, ao atravessar a frequência natural do sistema, aparecendo o efeito Sommerfeld. Neste contexto, os objetivos desta pesquisa são estudar a influência da interação do ímã permanente com a bobina ocorrida pela indução eletromagnética definida pela equação de força de Lorentz, e determinar, em associação, a força de amortecimento da vibração ao passar pelo efeito Sommerfeld. A metodologia baseia-se na busca de solução analítica aproximada utilizando o método da média, nas simulações computacionais pelos métodos de integração numérica de quarta-quinta ordem de Runge-Kutta com passos variáveis e tolerâncias de erros satisfatórios para processar as equações de estado que governam a dinâmica de movimento e nos dados adquiridos nos modelos experimentais obtidos por ensaios realizados em laboratório e processados por software para a exibição dos resultados. Os três métodos apresentaram resultados em consonância e o absorvedor mostrou-se eficiente em todos métodos.
Projeto e desenvolvimento de um conversor CC-CC multicelular com operação assimétrica no modo de condução crítica
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-05-02) Tirolli, Marcelo Nogueira; Gonçalves, Flávio Alessandro Serrão [UNESP]; Paredes, Helmo Kelis Morales [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Este trabalho envolve o estudo e o desenvolvimento de um conversor CC-CC boost composto por arquitetura multicelular que pode vir a operar com células iguais ou diferentes permitindo que o balanço de potência entre as células seja assimétrico. Cada célula do conversor, independente do fluxo de potência que estiver trabalhando deve operar preferencialmente no modo de condução crítica, com a finalidade de diminuir os esforços sobre os transistores, resultando em menores perdas de condução e de chaveamento, além de praticamente eliminar as perdas de recuperação reversa nos diodos. O modelamento matemático que caracteriza a ondulação da corrente de entrada do conversor foi desenvolvido baseado na série de Fourier. Com isso é possível chegar a um modelo matemático generalizado podendo ser aplicado para configurações simétricas e assimétricas, independentemente da quantidade de células. No modelo proposto também é considerado uma variável manipulável referente ao deslocamento de fase entre as células. Baseado na configuração adotada, pode-se estabelecer o valor do ângulo de defasagem de cada célula para que resulte na menor ondulação da corrente de entrada. Com as condições propostas para a obtenção das menores ondulações, é apresentado um estudo referente ao rendimento do conversor, desmembrando as perdas em cada elemento, considerando configurações simétricas e assimétricas. Simulações das ondulações das correntes foram realizadas e comparadas com o modelo matemático proposto, assim como estimativas das perdas nos elementos. Resultados de ensaios experimentais são apresentados considerando um protótipo constituído por quatro células com capacidades de 250 W e 125 W, semicondutores de carbeto de silício, e sistema de controle baseado em uma placa de desenvolvimento FPGA.
Sistema de medida de forças dinâmicas utilizando diafragmas piezelétricos para estudos dos mecanismos de corte de um único grão abrasivo visando a otimização do processo de retificação
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-01-07) Oliveira Junior, Reinaldo Götz de; Aguiar, Paulo Roberto de [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
O estudo das forças presentes no processo de retificação possibilita o entendimento do mecanismo de remoção de material e a otimização dos parâmetros envolvidos nesse processo. As características construtivas da ferramenta de corte, que influem na sua eficiência e na qualidade da superfície da peça retificada, são em parte determinadas pelas forças que atuam no sistema abrasivo-ligante. Nesta tese de doutorado, é proposto um sistema de medida de forças dinâmicas como apoio nos estudos dos mecanismos de corte de um único grão abrasivo. Tal sistema de medida, construído a partir de diafragmas piezelétricos de baixo custo, é capaz de medir as componentes de força normal e tangencial presentes no processo de retificação plana. Também é apresentado aqui um método de calibração para o sistema de medida desenvolvido, que se fundamenta na Segunda Lei de Newton e que propõe o emprego de um sistema multissensor para o cálculo do impulso de força, decorrente do impacto de uma esfera metálica lançada em queda livre. O erro relativo apresentado pelo sistema de medida é de 4,62 % para a componente de força normal e de 6,47 % para a componente de força tangencial. Com base nas respostas em magnitude e frequência, o sistema de medida de forças, que inclui um circuito condicionador de sinais projetado com a configuração de um amplificador de carga, demonstra-se apropriado aos testes de riscamento a que fora submetido. O sistema também apresenta um bom compromisso entre custo e benefício, tendo seu custo de produção equivalente a 5,6 % do valor comercial do sistema usado como referência nos testes de calibração.
Métodos para aumento da sensibilidade na detecção de danos estruturais baseada na medição da impedância de transdutores piezelétricos
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-12-15) Budoya, Danilo Ecidir; Baptista, Fabricio Guimarães [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
A medição da impedância elétrica de transdutores piezelétricos é uma das etapas mais importantes em sistemas de monitoramento de integridade estrutural com detecção de dano baseada na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Muitos sistemas de medição alternativos têm sido propostos para substituírem os analisadores de impedância comerciais, por serem mais apropriados para aplicações em campo e medição de múltiplos transdutores. Os estudos reportados na literatura normalmente analisam o desempenho desses sistemas em baixa frequência. No entanto, a excitação do transdutor com frequência elevada, tipicamente acima de 1 MHz, permite a detecção de danos incipientes, tornando necessária a análise dos sistemas de medição em frequências elevadas. Portanto, esta tese de doutorado apresenta resultados de duas propostas que viabilizam a análise em frequências elevadas (acima de 1 MHz) e, inclusive, melhora a sensibilidade a variações estruturais também em baixas frequências. A primeira etapa deste trabalho apresenta resultados referentes à utilização de uma interface de capacitância negativa em conjunto com os outros elementos do sistema de medição. Foram realizadas análises teóricas que indicaram melhoria na sensibilidade do sistema de medição e, corroborando tal característica, os resultados dos testes práticos demonstraram o mesmo comportamento. Na segunda etapa, são apresentados resultados de testes práticos realizados em três estruturas de tamanhos diferentes (100 cm × 5 cm × 0,2 cm, 100 cm × 10 cm × 0,2 cm e 100 cm × 25 cm × 0,2 cm) em que se variou a amplitude dos sinais de excitação e também sua duração (por meio dos ciclos de estabilização) e, de acordo com o obtido, esta abordagem apresenta também resultados melhores em baixas frequências e viabiliza análises em altas frequências para todas as estruturas utilizadas.
Detecção de dano estrutural em ambientes ruidosos baseada na impedância eletromecânica e ondas de Lamb com diafragmas piezelétricos excitados com sinais de alta frequência
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-12-21) Campeiro, Leandro Melo; Baptista, Fabricio Guimarães [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Os sistemas de monitoramento estrutural (SHM) têm mostrado seu elevado potencial com o passar das décadas. Com o desenvolvimento da tecnologia, métodos de implementação desses sistemas através de processamento computacional têm sido amplamente aplicados. O grande valor desses sistemas está em proteger as estruturas e as pessoas envolvidas. O ideal é detectar danos em estágio inicial utilizando-se sinais de excitação de alta frequência. Como esses sistemas podem ser construídos utilizando sensores que são acoplados à estrutura, efeitos de temperatura e ruídos são inevitavelmente inseridos aos sinais lidos pelos seus sensores, podendo assim, gerar um falso positivo. O desenvolvimento e o conhecimento de sensores disponíveis no mercado que podem ser utilizados em sistemas SHM é de interesse global, pois oferecerem uma redução de custo no desenvolvimento desses sistemas bem como uma ampla possibilidade de escolha para uma determinada aplicação, devido ao amplo conhecimento dos sensores que podem ser utilizados. Os diafragmas piezelétricos são componentes sonoros amplamente utilizados nos aparelhos eletrônicos do dia-a-dia e, além do baixo custo, apresentam a vantagem de serem produzidos em série por diversos fabricantes em tamanhos padronizados e prontamente disponíveis. Com base nessas informações, o objetivo dessa tese é apresentar os resultados do estudo de viabilidade de diafragmas piezelétricos como transdutor alternativo para a técnica das ondas de Lamb, permitindo expandir a pesquisa, bem como acelerar a implementação de sistemas SHM com menores custos de instalação, esses diafragmas já são amplamente utilizados na técnica da impedância eletromecância (E/M). Para avaliar a viabilidade desses componentes utilizando as ondas de Lamb, análises básicas pelo método dos elementos finitos (FEM) e ensaios experimentais foram realizados em placas de alumínio e os resultados obtidos com os diafragmas foram comparados com os obtidos com as cerâmicas piezelétricas convencionais. Após verificado a eficácia desses componentes em gerar e detectar danos utilizando ondas de Lamb, prosseguiu-se a pesquisa efetuando-se uma análise comparativa dos efeitos do ruído na detecção de dano estrutural utilizando-se a técnica E/M e ondas de Lamb com sinais de excitação em alta frequência. Além disso, testes foram feitos para comparar a capacidade de cada técnica em detectar, quantificar e localizar o dano na estrutura antes da análise com ruído. Os resultados mostraram que ambas as técnicas são eficazes em detectar dano estrutural em um ambiente ruidoso e quantificar e localizar os danos em condições ideais.
Previsão intra-diária de geração fotovoltaica usando redes neurais recorrentes do tipo LSTM e dados históricos de energia
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-11-04) Cunha, Bruno Aguilar da; Marafão, Fernando Pinhabel [UNESP]; Martins, Antonio Cesar Germano [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Este trabalho apresenta uma metodologia que utiliza dados históricos de energia para obter a previsão de geração de sistemas fotovoltaicos no horizonte de 1h, utilizando o conceito de janela temporal (time steps) e uma rede recorrente do tipo LSTM (Long Short Term Memory). Os dados históricos meteorológicos e de geração de energia utilizados foram captados no período de 1 ano. Uma análise comparativa utilizando o modelo LSTM para previsão de geração com diferentes variáveis de entrada e diferentes quantidades de time steps (tamanho da janela temporal) também foi conduzida. O modelo proposto (LSTM 1) que obtém a previsão da geração solar fotovoltaica a partir de uma série temporal de dados de energia possui um resultado bem próximo do melhor resultado obtido (LSTM4) que considera quatro variáveis meteorológicas (temperatura, umidade, irradiação e índice de chuva) como entrada do modelo de previsão. Considerando as métricas de erro RMSE (erro médio quadrático) e NRMSE (erro médio quadrático normalizado), os valores obtidos foram 0.398 e 0.110 para o modelo com 4 variáveis e 0.419 e 0.116 para o modelo proposto, respectivamente. Trata-se de uma abordagem mais simples devido ao fato de não necessitar de uma estação meteorológica para captar dados meteorológicos e também por diminuir a complexidade computacional do modelo LSTM utilizando uma única variável.
Multi-Purpose coordinated control of distributed energy resources in transactive AC microgrids
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-09-22) Alonso, Augusto Matheus dos Santos; Marafão, Fernando Pinhabel [UNESP]; Tedeschi, Elisabetta; Brandão, Danilo Iglesias; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
A contínua expansão do uso de recursos energéticos distribuídos (REDs), normalmenteconstituídos de fontes de energia renovável e/ou sistemas de armazenamento com seus respectivos inversores de potência, tem incorporado a eletrônica em potência como panorama para redes elétricas CA. Embora a presença de REDs em tais redes traga maior flexibilidade de operação e a descentralização da geração de energia possibilite despacho de potência mais eficiente, é essencial que se imponha um controle adequado sob inversores para garantir uma operação harmoniosa com os múltiplos dispositivos elétricos existentes. Tal requerimento é de particular importância em microrredes CA com alta imersão de inversores, as quais requerem a implementação de estratégias de controle coordenado para adequadamente explorar REDs, visando obter controlabilidade perante despacho de potência, intervenções para melhoria da qualidade da energia, e também acessibilidade a mercados de energia. Dentro de tal contexto, esta tese de doutorado apresenta uma estratégia de controle coordenado capaz de prover múltiplos propósitos operacionais para microrredes CA com características transativas. Tal abordagem rege a operação de inversores sem necessitar conhecimento prévio das características da microrrede, independentemente da topologia elétrica, e ofertando operacionalidades plug-and-play. Esta estratégia, nomeada Generalized Current-Based Control (GCBC), é capaz de acomodar inversores de características diversas, sendo de natureza despachável (d-RED) ou nãodespachável (nd-RED), com base em uma unidade centralizadora e em canais de comunicação de banda estreita. Através da coordenação flexível de REDs, a estratégia suporta a implementação de compartilhamento de correntes ativas, tão bem quanto a compensação de correntes reativas, além da mitigação distribuída e seletiva de harmônicos. Ademais, a estratégia de controle é complacente com perfis intermitentes de geração de energia, os quais são comuns em nd-REDs. Além disso, outra vantagem se refere à capacidade de prover compartilhamento de correntes entre inversores de forma proporcional às suas capacidades, sem interferência das características de impedâncias de linha, diferente do método convencional de controle droop (i.e., controle por inclinação). Acima de tudo, a estratégia GCBC é capaz de gerenciar uma microrrede CA interconectada para operar como uma entidade única controlável, provendo controlabilidade total sob seu despacho de potência para a rede de distribuição, permitindo a negociação de serviços energéticos em mercados de energia transativos. Os méritos da estratégia GCBC são amplamente avaliados ao longo desta tese, por meio de simulação e resultados experimentais, com base em múltiplos protótipos de microrrede com foco em baixa tensão, garantindo que o método é viável a implementações práticas reais. Diversos cenários de microrrede são analisados, tal como sob limitação de capacidades de potência, considerando a presença de tensões não ideias, e também perante complicações relacionadas à comunicação de dados, certificando que a estratégia GCBC é capaz de operar sob condições adversas. Ainda, demonstra-se através de resultados experimentais que o método de controle é capaz de prover melhoria da qualidade da tensão em microrredes fracas de baixa tensão que apresentam características homogêneas, como um resultado indireto do compartilhamento proporcional de correntes não ativas. Finalmente, funcionalidades de controle avançadas são flexivelmente derivadas com base na abordagem GCBC, possibilitando que uma microrrede seja capaz de modelar sua operação para se comportar como um resistor variável e seletivo, o qual suporta uma operação mais eficiente da rede de distribuição, ainda favorecendo o amortecimento de ressonâncias harmônicas. Como outra funcionalidade avançada, compensação distribuída de correntes ativa e reativa de desbalanço pode ser também ofertada, com base em conceitos advindos da Teoria de Potência Conservativa. Ademais, regulação de tensão pode ser implementada para microrredes, com base em um esquema de controle automático incorporando a estratégia GCBC, possibilitando ainda uma exploração de energia aprimorada para nd-REDs. Por último, considerações sob a integração de métodos de otimização também ressaltam que funcionalidades adicionais podem ser formuladas com base na adoção da estratégia GCBC.
Abordagem estocástica adaptativa em dois estágios para a aquisição de energia em mercados de eletricidade de sistemas hidrotérmicos
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-08-10) Silva, Rodolfo Rodrigues Barrionuevo; Nepomuceno, Leonardo [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Esta tese discute, na perspectiva de um grande consumidor, o problema do planejamento a médio-prazo da aquisição de energia em ambientes hidrotérmicos. Trata-se de um problema de otimização de portfólio em que as incertezas nos preços da energia são provenientes, principalmente, das incertezas nas afluências futuras. No presente trabalho, busca-se incorporar as especificidades do sistema hidrotérmico ao problema de aquisição, fornecendo ao consumidor uma ferramenta de planejamento que considere os custos associados a cada mercado, a exposição aos riscos e suas estimativas de afluências futuras. As abordagens propostas envolvem um Modelo de Estimação de Cenários de Preços (MECP) e um Modelo de Aquisição de Energia (MAE). O MECP proposto é formulado como um problema de otimização estocástica baseado no planejamento de médio-prazo da operação hidrotérmica utilizando leques de cenários para representar as incertezas nas afluências. Propõem-se dois MAE formulados como problemas de otimização estocástica em dois estágios com duas dinâmicas de solução: janela rolante e adaptativa. Reformula-se o problema de aquisição multi-estágio original em um conjunto de problemas de dois estágios resolvidos de forma interligada. As dinâmicas de solução propostas consideram a estocasticidade dos preços futuros e resultam em decisões here-and-now para cada mercado e para todos os períodos de planejamento. As abordagens propostas são analisadas em simulações que buscam representar sistemas reais de médio-porte. Os resultados do MECP evidenciam a intrínseca correlação dos preços da energia com os cenários de afluência e com os níveis de demanda. Assim, o MECP proposto se mostra adequado como ferramenta de estimação de cenários de preços para o mercado hidrotérmico. As abordagens de aquisição propostas resultam em decisões de contratação sensíveis aos preços em cada mercado e nível de carregamento, assim como à aversão ao risco e à estimativa de afluências futuras. Em políticas de alta aversão ao risco ou em expectativas de períodos futuros secos, notou-se grande participação do consumidor no mercado de médio-prazo, utilizado como uma ferramenta de hedging contra a volatilidade do mercado de curto-prazo. Os resultados das abordagens de aquisição propostas são comparados a um MAE adaptado da literatura. Verifica-se que a dinâmica adaptativa se mostra superior às demais abordagens analisadas.
Controle ótimo e sub-ótimo de estrutura flexível rotacional não linear de ordem fracionária
(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-08-06) Daltin, Daniel Celso; Bueno, Átila Madureira [UNESP]; Balthazar, José Manoel [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Esta pesquisa propõe o estudo de sistema de controle em viga flexível rotacional, utilizando os métodos LQR, SDRE, Cálculo Fracionário, LQT, SDRE-TC e LCTF, para sistemas não lineares de vibração, e respectivamente o controle das vibrações, buscando realizar o detalhamento do comportamento dinâmico, identificando os impactos na estrutura flexível. As principais motivações para os estudos propostos vêm das recentes discussões em relação aos problemas que precisam ser mitigados e controlados para tornar os sistemas estáveis e robustos e, com isso, proporcionar maior desempenho estrutural. Analisar essas situações expostas visa, dentro das diversas áreas da engenharia, proporcionar maior margem de segurança e estabilidade do equipamento, da carga e dos usuários. Dessa forma, os objetivos da pesquisa são estudar o comportamento dinâmico não linear de estruturas flexíveis, utilizando os métodos acima supracitado, e o controle das vibrações aplicados em viga flexível rotacional delgada. A metodologia baseou-se no desenvolvimento de modelos matemáticos aplicados em sistemas não lineares de sistema de quarta ordem, que para tanto será utilizado a equação de movimento Euler-Lagrange, as Equações de Riccati Dependente do Estado (SDRE) e o Cálculo Fracionário. Os modelos foram verificados e validados por meio dos resultados simulados numericamente. Os resultados da simulação numérica com os controladores propostos mostraram eficácia para controlar sistemas não lineares e foi possível observar o comportamento dinâmico da viga flexível.

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