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Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica – ramo de Energia Submitted by Sónia Mestre (sonia.mestre@isel.pt) on 2020-09-04T20:06:03Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_2088.pdf: 5665224 bytes, checksum: 9a6d19b683ae02006cef5fb4e75ab399 (MD5) Made available in DSpace on 2020-09-04T20:06:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação_2088.pdf: 5665224 bytes, checksum: 9a6d19b683ae02006cef5fb4e75ab399 (MD5) Previous issue date: 2019-11-26 N/A

Trabalho final de mestrado a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica – ramo de Energia Neste trabalho é descrita a modelação de um posicionador eletromecânico linear, usando métodos sensorless, para a estimação de posição e velocidade, a fim de permitir o controlo da trajetória do veio de um motor linear tubular de ímanes permanentes. Apresenta-se numa primeira fase o motor em estudo, conceção e aplicações do mesmo. São apresentados os modelos matemáticos do motor linear tubular e do conversor eletrónico de potência. Apresenta-se também a síntese do gerador de sinais de comando e das cadeias de controlo de posição, velocidade e binário do controlador eletrónico de posição. É apresentada ainda uma síntese dos sensores de posição e codificadores tradicionalmente utilizados no posicionador, como os codificadores e sensores de efeito de Hall, tradicionalmente usados para a obtenção das grandezas de posição e velocidade. Após o desenvolvimento do modelo matemático do posicionador eletromecânico linear, fez-se um estudo sobre os métodos sensorless, apresentando as metodologias e conceções das mesmas. Este estudo teve como alvo a escolha dos métodos sensorless mais aptos à implementação no posicionador eletromecânico linear, tendo-se optado pelo estudo de simulação numérica de dois métodos adaptativos de excitação fundamental. Assim, desenvolvem-se os modelos matemáticos dos observadores de Luenberger e de modo de deslizamento, escolhidos para modelação e aplicação no posicionador eletromecânico linear. Para ambos os métodos são obtidos os resultados de simulação numérica em ferramenta computacional Matlab/Simulink®. É também simulado o posicionador eletromecânico linear com sensor de posição, considerado como um sistema de primeira ordem, com o objetivo de ter um termo de comparação com os métodos sensorless. São por fim obtidos os resultados de simulação numérica para o posicionador eletromecânico linear com sensor de posição. Por fim comparam-se os métodos escolhidos, a fim de determinar qual apresenta melhor desempenho e robustez no funcionamento do posicionador eletromecânico linear. De entre os métodos sensorless escolhidos, o observador de Luenberger e o observador por modo de deslizamento, os resultados de simulação numérica demonstram que o observador por modo de deslizamento apresenta melhor desempenho e robustez. É feito também o estudo do erro relativo de posição com a variação de carga e velocidade no funcionamento do motor linear tubular síncrono de ímanes permanentes, verificando-se um melhor desempenho do observador por modo de deslizamento a velocidade constante, sendo um desempenho com o mesmo erro médio relativo do posicionador eletromecânico linear com sensor de posição. In this thesis, it is described the construction of a linear electromechanical positioning drive, using sensorless methods for the position and speed estimation, to control the trajectory of the linear tubular motor shaft. In a first stage, its presented the linear motor, conceptions and applications. It is also presented the mathematical model of the motor and power converter. It is also presented the s curve and the position and speed controller. It is presented a synthesis of position sensors and encoders, traditionally used in electromechanical positioning drives. After the mathematical model of the linear electromechanical positioning drive, this thesis presents a study of the sensorless methods to choose the appropriate methods to implement. It is chosen the Luenberger observer and the sliding mode observer, to implement. It is first modulated the proper mathematical models of the observers, and then its implemented on the positioning drive. After it is obtained numerical simulation results for both methods using Matlab/Simulink® software. It is also modulated a positioning drive using a position sensor, to use as comparison with the sensorless methods. It is obtained numerical simulation results for the positioning drive using a position sensor. In the end, it is made the comparison between methods, to determine the most effective and which has more robustness using a sinusoidal position function in different load conditions. After the results, the sliding mode observer has more robustness and accuracy. It is also made the position relative error changing load and speed conditions, verifying better performance in sliding mode at constant speed condition, with the same performance as the positioning drive with position sensor. N/A

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica, Ramo de Energia Esta Tese descreve a aplicação do método dos elementos finitos ao estudo e análise de uma máquina linear tubular de ímanes permanentes. Apresentam-se algumas aplicações relevantes deste tipo de máquinas elétricas, nas áreas da energia, indústria e dos transportes. Neste trabalho desenvolve-se o modelo geométrico da máquina linear tubular recorrendo à ferramenta de desenvolvimento baseada no método dos elementos finitos, Finite Element Method Magnetics, FEMM©. O modelo de elementos finitos da máquina linear tubular é testado em ambiente de simulação numérica Matlab/Simulink®, que integra os componentes de um posicionador eletromecânico linear constituído pela máquina linear tubular, conversor de eletrónica de potência e sistema de controlo. Descrevem-se todas as sub-rotinas desenvolvidas para a integração do modelo de elementos finitos da máquina linear tubular no modelo de simulação numérica do posicionador eletromecânico linear. Desta forma, é possível obter de forma automática as suas características de funcionamento. O modelo de elementos finitos da máquina linear tubular desenvolvido, permitiu obter os parâmetros analíticos que modelam matematicamente o comportamento dinâmico da máquina elétrica, bem como algumas características internas, como sejam a força eletromotriz desenvolvida, a força de retenção e a força eletromagnética desenvolvida em função do ângulo de carga. O modelo de elementos finitos da máquina linear tubular contém um modelo geométrico paramétrico que, através da linguagem de programação Lua©, permitiu ajustar de forma automática todos os elementos construtivos do modelo geométrico às características conhecidas da máquina elétrica real. Abstract: This thesis describes the finite element method application in the study and analysis of a permanent-magnet tubular linear machine. Some relevant applications of these electrical machines in the areas of energy, industry and transport are presented. In this work, a geometric model of the tubular linear machine is developed using the finite element method software, Finite Element Method Magnetics, FEMM©. The finite element model of the tubular linear machine is tested in numerical simulation environment Matlab/Simulink®, which integrates components of a linear electromechanical positioner formed by tubular linear machine, power electronic converter and control system. All the developed subroutines for the integration of the finite element model of the tubular linear machine in numerical simulation model of linear electromechanical positioner are described. This allows to obtain automatically its operating characteristics. The developed finite element model of the tubular linear machine allows the analytical parameters that mathematically model the dynamic behavior of the electric machine, as well as some internal characteristics of the machine, such as, the electromotive force, cogging force and the developed electromagnetic force as a function of the electric load angle. The finite element model of the tubular linear machine contains a parametric geometric modelthat, through the Lua©programming language, allowed to automatically adjust all the constructive elements of the geometric model to the real electrical machine known characteristics. N/A

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia Esta tese trata do desenvolvimento de um indutor para um carregador rápido de carros eléctricos. Este sistema de carregamento utiliza semicondutores SiC, suportando assim correntes elevadas (300A) e atingindo altas frequências de comutação (100kHz). Desta maneira consegue-se reduzir o tamanho do componente magnético. É deduzido o modelo matemático do conversor, onde é possível calcular a indutância necessária para se respeitar os limites de operação dos semicondutores. Os materiais do tipo núcleo de partículas (powders) em forma toroidal são seleccionados como os mais adequados para esta aplicação devido às suas prioridades de design. É realizada uma abordagem de otimização multiobjetiva. Esta abordagem tem por base um estudo de sensibilidade conduzido com recurso a um software que utiliza o método dos elementos finitos (FEM). As melhores configurações por material são comparadas, onde se conclui que o material High Flux 26µ supera as outras opções em termos de tamanho e custo, mantendo um valor de perdas aceitável. O projecto de enrolamento tem em consideração condutor sólido e litz, concluindo-se que o condutor sólido era uma melhor opção devido ao seu menor custo. Abstract: In this thesis an inductor for an Electric Vehicle (EV) fast charger is designed and built. The fast charger utilizes Silicon Carbide (SiC) semiconductors enabling the system to support high currents (300 A) while switching at high frequencies (up to 100 kHz). This leads to a reduction on the required inductance value for the bidirectional DC-DC converter (BDC). The required inductance value for the BDC is calculated from its mathematical model. This inductor is required to support a DC current of 300A with a ripple component with frequency up to 100 kHz. A group of powder core materials with toroidal core shapes are selected as best suited for the application due to the design priorities. A multi-objective optimization approach is built based on a sensibility test conducted with electromagnetic Finite Element Method (FEM) analysis. The better configurations achieved per material are then compared, where the High Flux 26µexceeded the other powder materials in terms of size and cost while maintaining the inductor losses at acceptable values. The winding design considers litz and solid wire, in which is concluded that for this particular application the solid wire is the best option due to lower cost.

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia Apresenta-se neste trabalho, o processo de emulação de um motor de combustão interna Diesel, utilizando conversores de potência e motores assíncronos trifásicos. Com base nesta premissa é descrita, a composição de um grupo gerador Diesel, as técnicas de modelação, o método de controlo de tensão e frequência utilizado no processo de emulação do motor de combustão interna Diesel. Para o processo de modelação escolhido, é descrita a obtenção das características do gerador síncrono constituinte do grupo gerador Diesel. Com isto, apresentam-se os ensaios realizados em regime permanente para a obtenção do mapa de eficiência do motor Diesel. São também descritos os ensaios dinâmicos com aplicação de cargas elétricas, para obtenção da característica de velocidade do motor Diesel em regime transitório. Com os resultados extraidos dos ensaios ao grupo gerador Diesel, é realizada a implementação do modelo matemático obtido. É também apresentado o processo de comunicação e controlo dos motores assíncronos trifásicos para emulação do comportamento do motor de combustão interna Diesel. Por fim, são apresentados os resultados da implementação realizada, com a validação do sistema perante os ensaios realizados. Abstract: In this work is presented the emulation process of a Diesel internal combustion engine, using electric power converters and three-phase asynchronous motors. In this base is described the composition of an Diesel generator set, the modulation technique and the control of voltage and frequency method utilized in the process of the emulation. For the modulation process chosen, are described the electric characteristics achievement of the synchronous generator, which is a component part of the Diesel generator set. Are presented theessays realized in a continuous regime to obtain the performance map of the Diesel engine. Are described too, the essays realized in a dynamic regime induced by application of electric loads, for the achievement of speed characteristic in this regime. With the results extracted of the essays to Diesel gererator set, is realized the implementation of the mathematic model. The communication and control process of the three-phase asynchronous motors to emulate the speed behavior of the Diesel engine is presented too. Finally the results of the implemented model, with the validation of the emulation system face to essays performed on Diesel engine are presented.

Apresenta-se a modelização, através do Método dos Elementos Finitos, de um sistema de proteção automática de comboios, denominado DTAV – Dispositivo de Travagem Automático de Via. A modelização é realizada com o auxílio do software Ansys 13.0. Descreve-se a evolução histórica dos sistemas de proteção automática de comboios, desde a época vitoriana até à atualidade. São categorizados os vários tipos de sistemas de proteção existentes, consoante as suas funcionalidades e os seus princípios físicos de funcionamento. É apresentada uma breve descrição da normalização em vigor, aplicada aos sistemas de proteção automáticos de comboios. Descreve-se em pormenor o sistema DTAV, nomeadamente a sua funcionalidade, o seu princípio físico de funcionamento e o conjunto de equipamentos de que é constituído. Apresenta-se uma breve introdução sobre o método dos elementos finitos, enquadrando o modelo criado com os princípios físicos em que se fundamenta, nomeadamente através da descrição das equações de eletromagnetismo. Desenvolve-se modelo do sistema DTAV, evidenciado as etapas da construção e os resultados obtidos, validados por um conjunto de especificações e ensaios prévios realizados em laboratório. It presents the modeling, through the Finite Element Method, of a automatic train protection system, called. The modeling is performed with the aid of the software Ansys 13.0. It describes the historical evolution of automatic train protection systems, from the Victorian era to the present day. It is categorized the various types of existing protection systems, depending on their features and their physical principles of operation. It briefly describes the existing standards, applied to the automatic train protection systems. It describes in detail the DTAV system, including its functionality, its physical principle of operation and equipment that is constituted. It presents a brief introduction to the finite element method, fitting the model created with the physical principles on which is based, including the description of the equations of electromagnetism. It is developed the model DTAV system, evidenced stages of construction and the obtained results, validated by a set of specifications and preliminary tests carried out in laboratory.

Submitted by Ana Lavado (sofialavado@yahoo.com) on 2012-03-05T12:26:54Z No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento do Sistema de Tracção de um Veículo Eléctrico Ecológico com Travagem Regenerativa.pdf: 194222 bytes, checksum: bdc245b72952ac70501ff834bd8e60a1 (MD5) Made available in DSpace on 2012-03-05T12:26:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Desenvolvimento do Sistema de Tracção de um Veículo Eléctrico Ecológico com Travagem Regenerativa.pdf: 194222 bytes, checksum: bdc245b72952ac70501ff834bd8e60a1 (MD5) Previous issue date: 2011-12