Professor Responsável: Richard Magdalena Stephan 
Professores da Equipe:  Walter I. Suemitsu 
Luís Guilherme Barbosa Rolim 
Antônio Carlos Ferreira 

Este estudo tem como principal objetivo agregar as atividades de pesquisa em Acionamento Eletrônico, assim como catalisar o potencial técnico disponível.  No período inicial de estudo, o projeto não apenas cumpriu este objetivo, como comprova o crescimento da equipe com a inclusão dos professores recém-doutores Luís Guilherme Barbosa Rolim e Antônio Carlos Ferreira, como também permitiu ampliar os laços com os Departamentos de Engenharia Mecânica da UFRJ e da UFF, e com o Instituto de Física da UFRJ.  Estes fatos motivaram um maior esforço, fortalecendo o grupo, cuja estrutura foi definida a partir da consolidação dos melhores resultados atingidos no período anterior. Assim, o projeto está sub-divídido em 2 grandes áreas de atuação: 

Mancais Magnéticos.  
Controle Avançado de Máquinas Elétricas. 

2.1 Controle de SR-Drives.  
2.2 Controle de Motores de Indução Utilizando DSP.  
2.3 Acionamento em Instalações Submarinas. 
 
 

1. Mancais Magnéticos: 

Introdução: 

>A continuidade da pesquisa em Mancais Magnéticos prevê a construção de dois protótipos de motores totalmente sem mancais mecânicos. No primeiro protótipo, o mancal axial será por levitação supercondutora (Fig.1) valendo-se de pastilhas de YBCO refrigeradas a Nitrogênio Líquido. Este trabalho faz parte da pesquisa de doutorado de Domingos David. No segundo protótipo, cuja construção será posterior, o mancal axial será eletromagnético. Paralelamente, a supercondutividade será explorada na construção de um protótipo de veículo de tração linear, através de um trabalho conjunto com o Instituto de Física da UFRJ, trabalho este que foi submetido como projeto PADCT em Maio/98. 
 
 
 

 

Objetivos: 

Este projeto tem como objetivos principais.  

A construção e teste de um motor-protótipo totalmente sem mancais mecânicos, com o mancal axial supercondutor. 

A construção e teste de um motor-protótipo totalmente sem mancais mecânicos, com o mancal axial eletromagnético. 

A construção e teste de um veículo-protótipo de tração linear com levitação supercandutora (proposta de um projeto PADCT submetido em Maio/98)

Os projetos serão desenvolvidos partindo-se de uma modelagem analítica do sistema, seguida de montagens experimentais e testes de laboratório, acompanhados de simulações por programas de cálculo de campo por elementos finitos e simulações do sistema mecânico. Em seguida serão implantadas melhorias nos protótipos.  
 
 
 

• Projeto do sistema totalmente sem mancais mecânicos e mancal axial supercondutor.
• Contrução e testes do sistema projetado no item anterior.
• Desenvolvimento de um programa de simulação combinando cálculo de campo e dinâmica de rotores para analisar o protótipo acima. Comparação dos resultados.
• Projeto do mancal axial eletromagnético.
• Construção e testes do sistema com mancal axial eletromagnético.
• Projeto de veículo de tração linear com levitação supercondutora.
• Construção e testes do veículo linear.
• Propostas de melhorias nos mancais magnéticos.

2.1 Controle de SR-Drives com elevado desempenho dinâmico e alta densidade de potência 

Introdução: 

Em um grande número de aplicações de controle de movimento (motion control), requer-se uma resposta dinâmica rápida e uma elevada densidade de potência. Em outras palavras, o peso e o volume dos dispositivos (ex.: motores elétricos e conversores estáticos) utilizados no sistema de acionamento devem ser os menores possíveis, para este tipo de aplicação. 

Com relação aos motores elétricos, Lipo mostra a densidade de potência que pode ser incrementada, com base no "principio de utilizar-se um conversor eletrônico de potência para fornecer correntes com forma-de-onda otimizada, para ajustar-se à forma-de-onda da força eletromotriz induzida no processo de conversão de energia no interior da máquina". Este tipo de acionamento foi batizado por ele de  “máquina alimentada a conversor” (ou CFM, abreviatura em inglês para converter- fed machine). Como exemplo deste tipo de sistema de acionamento, pode-se citar os que utilizam motores de relutância chaveados (ou SRM, abreviatura em inglês para switched reluctance motor). 

Por outro lado, é possível conseguir-se uma elevação adicional da densidade de potência de sistemas de acionamento através da redução do tamanho dos conversores eletrônicos de potência utilizados no acionamento das máquinas elétricas.  Isto pode ser obtido com a aplicação de técnicas de comutação suave. Estas consistem, basicamente, em impedir que a tensão e a corrente nos dispositivos semicondutores de potência, utilizados nos conversores, apresentem simultaneamente valores elevados durante a comutação, reduzindo assim a dissipação de energia na forma de calor nestes dispositivos. Com isso, é possível reduzir-se o tamanho dos elementos dissipadores de calor, responsáveis pela refrigeração dos dispositivos semicondutores de potência, que, geralmente, representam uma grande parcela do volume e do peso total de um conversor. 

Quanto ao comportamento dinâmico do sistema de acionamento, a aplicação de técnicas de modelagem e controle avançadas, tais como modelagem e controle fuzzy e neuro-fuzzy, possibilita o desenvolvimento de acíonamentos de alto desempenho dinâmico, mas também com elevado grau de robustês e com capacidade de adaptação ou aprendizagem. 
 
 

Objetivos: 

Neste projeto, propõe-se o estudo de sistemas de acionamento de alta densidade de potência, envolvendo motores CFM e conversores de comutação suave, focalizando os seguintes aspectos:  

• determinação experimental da densidade de potência e comparação com sistemas de acionamento convencionais;
• auto-sensoriamento da posição e da velocidade;
• aplicação de técnicas de controle avançadas;
• compatibilidade eletromagnética

Como ponto de partida tem-se a experiência anteriormente adquirida com o projeto de pesquisa CNPq "Aplicações de Acionamentos Eletrônicos" (Proc. CNPq 523524/96-0), no sub-projeto "Controle de SR-Drives", que resultou em 2 trabalhos de mestrado desenvolvidos sob a orientação de W.I. Suemitsu. Como experiência anterior pode-se citar também o trabalho de doutorado desenvolvido por L.G.B. Rolim, no escopo do projeto GTZ de cooperação entre a UFRJ e a Technische Universität Berlin, que vigorou de 1991 a 1997. Em uma das teses de mestrado foi realizado um estudo de simulação e implementação experimental de um acionamento com SRM e um conversor tipo "Miller". Na outra tese foi desenvolvido e implementado um sistema de controle fuzzy para o sistema estudado. Na tese de Doutorado foi investigado, através de simulação e validação experimental, um sistema de acionamento composto por um SRM e um conversor de comutação suave ACRDCL (actively clamped resonant DC link), num sistema batizado de ACRDCL SR.  

Dando sequência à linha dos trabalhos desenvolvidos anteriormente, propõe-se o estudo dos acionamentos com SRM, aperfeiçoando seu controle e fazendo uma comparação detalhada com sistemas de acionamento convencionais com máquinas de indução. Posteriormente, pretende-se estender esta análise a outros tipos de CFM.  

Metodologia: 

Ao contrário dos acionamentos com máquinas de indução, há para os acionamentos com SRM um grande número de alternativas topológicas para o conversor a ser utilizado. Além disso, há ainda várias alternativas para implementação de técnicas de comutação suave nestes mesmos conversores, que também resultam em variações topológicas adicionais. Um estudo preliminar deve ser feita com auxílio de simulações, permitindo selecionar as variantes mais apropriadas. As topologias selecionadas devem então ser avaliadas experimentalmente, com o intuito de comprovar a factibilidade e de analisar as limitações térmicas e mecânicas.  

Para que o esforço dispendido na implementação dos sistemas de acionamento a serem estudados seja minimizado, pretende-se construir um sistema de prototipagem rápida, que seja flexível o bastante para permitir introduzir facilmente alterações na topologia do conversor [5] e na estratégia de controle utilizados no sistema de acionamento. A concepção deste sistema de prototipagem rápida baseia-se na experiência obtida com o desenvolvimento e utilização, ao longo dos últimos cinco anos, do laboratório modular didático de eletrônica de potência, no Departamento de Eletrotécnica (DEE), da Escola de Engenharia da UFRJ (EE/UFRJ) [6], assim como na experiência obtida com os desenvolvimentos dos protótipos em [2] e [4]. Neste sistema de prototipagem rápida, far-se-á uso intensivo de dispositivos lógicos programáveis (e.g. GALs, PLDs assíncronos, FPGAs), microcontroladores e processadores digitais de sinais (DSPs).  

Atividades: 
 
 

• Levantamento bibliográfico e estudo do acionamento ACRDCL SR (simulação)
• Especificação, projeto e construção do sistema de prototipagem rápida (SPR) com DSP
• testes preliminares
• Implementação de um acionamento SR completo (conversor hard-switching + controlador PI) no SPR
• implementação do acionamento ACRDCL SR no SPR
• estudo e simulação de técnicas de controle avançadas (modelagem fuzzy, controle neuro-fuzzy e auto-sensoriamento)
• implementação de técnicas de controle avançadas no SPR
• documentação (redação de relatórios técnicos, artigos, etc.)

Introdução: 

Pode-se dizer com segurança que as técnicas de controle vetorial para motores CA estão definitivamente integradas aos produtos comerciais. Existe claramente uma tendência para o desenvolvimento de circuitos ASIC’s com o objetivo de tornar mais compactos e confiáveis os controles para acionamentos eletrônicos [2]. No entanto, estes circuitos não estão disponíveis para qualquer usuário. Por outro lado, firmas como a Analog Devices disponibilizam atualmente circuitos integrados para aplicações abertas de Motion Control. Na UFRJ foi desenvolvido um trabalho de mestrado com um destes circuitos, o ADMC 201. A tendência, com as novas linhas 300 e 400, é que a integração seja ainda maior. O objetivo deste sub-projeto consiste em aperfeiçoar o trabalho anterior, aproveitando melhor as facilidades do ADMC 201 e preparando espaço para projetos usando técnicas de controle avançado e práticas de laboratório para ensino de graduação, pós-graduação e extensão  

Objetivos: 

 Implementar uma bancada de testes de controle avançado de motores baseada em DSP’s.  
Testar e comparar novos algoritmos de controle de motores.  
 

Metodologia: 
 
 

Através de uma busca constante de informação na literatura técnica, trabalhos de simulação, montagens experimentais e comparação crítica dos resultados, visa-se atingir uma maturidade tecnológica no tema, que abra oportunidades para diversas aplicações.  

Atividades: 
 
 

• Familiarização com o sistema DSP-ADMC201.
• Reconhecimento da bancada existente: sensores (velocidade,posição,corrente), cargas, conversores eletrônicos.
• Programação e testes de controle de velocidade vetorial direto usando inversor VSI.
• Testes experimentais e comparação com os sistemas comerciais da YASKAWA e ABB.
• Implementação de controle de posição PID e testes experimentais.
• Implementação do chaveamento vetorial para o inversor VSI.
• Implementação de uma carga com característica programável, através do controle de corrente do gerador usado como carga.
• Implementação de um controle Fuzzy de posição/velocidade para compensar variações de temperatura ou torque.
• Publicação de artigos e defesa de teses/trabalhos finais.

 

Objetivos: 

Desenvolver um pacote de simulação, com modelos refinados e validados, para representar os aspectos especiais do bombeamento centrífugo submerso, no que diz respeito ao motor, à transmissão de longa distância e aos conversores eletrônicos utilizados. Esta ferramenta permitirá prever o desempenho de futuros sistemas antes de sua aquisição e instalação, representando uma grande economia no projeto, manutenção e operação destes sistemas que devem dominar no futuro breve.  
 

Metodologia: 

Estudo dos modelos existentes no programa EMTP, determinação das melhorias necessárias em função das características especiais do motor, do comprimento dos condutores e das frequências harmônicas presentes. Comparação das simulações com possíveis medições experimentais.  
 

Atividades: 

Seguindo o cronograma de atividades proposto no projeto anterior, restam as seguintes etapas:  

Estudo do comportamento dinâmico da máquina quando acionada por conversores de frequência à distância. 

Implementação no programa EMTP do novo modelo de máquina obtido. 

Determinação dos parâmetros do motor através de programa de cálculo de campo por elementos finitos e    comparação com os parâmetros disponíveis. 

• Consolidação dos resultados.