Teses em Engenharia Elétrica (Doutorado) - PPGEE/ITEC

URI Permanente para esta coleçãohttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/2317

O Doutorado Acadêmico inicio-se em 1998 e pertence ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) do Instituto de Tecnologia (ITEC) da Universidade Federal do Pará (UFPA).

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Acesso aberto (Open Access)
Análise de sistemas não-lineares e síntese de operadores inversos por séries de volterra diagonais
(Universidade Federal do Pará, 2019-08-22) TEIXEIRA, Raphael Barros; BAYMA, Rafael Suzuki; http://lattes.cnpq.br/6240525080111166; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Este trabalho propõe estratégias inovadoras de análise de sistemas não-lineares e de síntese de operadores inversos por meio das séries de Volterra diagonais. Ao expressar a saída explicitamente a partir da entrada as séries de Volterra possibilitam a análise não-linear no domínio da frequência. Contudo, a natureza multidimensional do modelo confere diversas dificuldades ao seu uso sistemático. Este trabalho lança um novo olhar sobre as chamadas séries de Volterra em coordenadas diagonais, com as quais operadores Volterra são expressos como um conjunto de filtros lineares e unidimensionais que processam termos polinomiais não lineares da entrada. A proposição da forma racional para estes filtros conduz a modelos Volterra exatos e compactos, que exibem uma conexão direta com formalismos não-lineares modernos, notadamente os modelos estruturados em blocos, de Wiener e de Hammerstein, e os modelos polinomiais não-lineares auto-regressivos com entrada (NARX). Em particular, propõe-se uma estratégia para a obtenção de modelos Volterra diagonais a partir dos NARX polinomiais. A estratégia é denominada de método derivativo, em razão de depender apenas de resultados consagrados do cálculo diferencial. Isso é importante porque um modelo NARX pode se ajustar relativamente bem a dados experimentais para descrever uma ampla variedade de sistemas. O estudo subsequente da série de Volterra surge como um passo adicional natural de análise. Este resultado abre possibilidades também para a síntese não-linear. Um problema que tem recebido atenção crescente na engenharia de sistemas é o da síntese de operadores não-lineares inversos, pelos quais se busca reverter distorções geradas pelo sistema, preservando a integridade da informação de interesse. Neste caso propõe-se uma estratégia de síntese de operadores Volterra diagonais inversos, na topologia de pós-inversão, para classes particulares de modelos polinomiais não-lineares. Trata-se de uma abordagem numérica onde a síntese é conduzida por um problema de otimização que se inspira no clássico operador inverso de ordem p. Palavras Chave: Sistemas não-lineares, série Volterra diagonais, identificação de sistemas, análise não-linear, inversão dinâmica.
Acesso aberto (Open Access)
Desenvolvimento a eventos discretos de um controlador de balanceamento de fases para sistemas legados de baixa tensão e microgrids
(Universidade Federal do Pará, 2019-06-10) VILCHEZ, José Ruben Sicchar; SILVA, José Reinaldo; http://lattes.cnpq.br/9317869378701106; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Na modernização do sistema legado de baixa tensão como microgrids urbanas, o desenvolvimento de algoritmos de balanceamento de fases torna-se útil e importante para garantir o equilíbrio robusto e confiável de carga, estabelecer um fluxo de automação eficiente entre os consumidores, a rede legada secundária e o centro de supervisão do sistema de distribuição de energia elétrica. Isso pode se constituir num sistema de controle alternativo de balanceamento de fases (via comutação dinâmica de unidades consumidoras) ao método de injeção de corrente na rede por microgrids. Modelos formais de automação desses algoritmos se tornam um marco interessante para a avaliação do desempenho e de propriedades para a validação da sua inserção na nova arquitetura de microgrids urbanas. Eles podem avaliar o desempenho confiável do sistema, quando da verificação de propriedades dinâmicas que garantam soluções unívocas para transferência de carga e a robustez da estabilidade de carga na rede secundária, sem paradas na operação, nem eventos conflitantes. Este trabalho propõe um novo sistema de controle de balanceamento de fases, baseado em algoritmos combinados resultantes de um modelo em redes de Petri hierárquicas. A través desse modelo, foi obtido um fluxo de operações automatizado, ótimo e confiável de balanceamento de carga nas fases da rede secundária, com seleção eficaz das unidades consumidoras, para o processo de comutação, visando obter um estado de equilíbrio de carga robusto a desbalanceamentos entre as fases, e com corrente de neutro minimizada. A partir do modelo obtido, denominado “Controlador de Balanceamento de Fases do Transformador” (CBF-T) foram desenvolvidos quatro algoritmos combinados: o Algoritmo de Transferência de Carga, que calcula o nível de desbalanceamento e a potência a ser transferida nas fases do transformador; o Algoritmo de Diagnóstico de Consumo, que identifica a margem de concentração de carga no consumidor; o Algoritmo de Previsão de Consumo, que prediz os estados futuros de energia mensais no consumidor; e o Algoritmo de Seleção de Comutação, que seleciona os consumidores para comutação, em função do estado futuro de consumo de energia, margem de concentração de carga e da média dos estados futuros de energia. Baseado nos resultados obtidos, notou-se a diminuição eficiente da corrente de neutro e do desbalanceamento médio de carga nas fases da rede secundária, com robustez de estabilidade de carga para três meses, tornando-se um sistema eficiente para a solução de desbalanceamentos tanto na rede secundária legada, como também em microgrids.
Acesso aberto (Open Access)
Estratégias de controle digital a parâmetros fixos e supervisionados por lógica fuzzy aplicadas na melhoria do desempenho de sistemas elétricos de potência: resultados simulados e com experimentação em um micro gerador de energia
(Universidade Federal do Pará, 2014-04-30) MOUTINHO, Marcelo Nascimento; BARRA JÚNIOR, Walter; http://lattes.cnpq.br/0492699174212608; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Este trabalho apresenta os resultados, simulados e com experimentação, obtidos nos estudos relacionados ao projeto e à implementação de estratégias avançadas de controle digital preditivo do tipo Generalized Predictive Control e supervisionado por lógica fuzzy, aplicadas ao controle e auxílio na melhoria da estabilidade de sistemas elétricos de potência. Uma das principais contribuições deste trabalho é de natureza prática já que a avaliação de uma parte das estratégias de controle preditivo propostas será realizada por meio de testes em um sistema de potência real e de escala reduzida. Outras contribuições do trabalho incluem: a) o desenvolvimento e a validação de um simulador computacional de sistemas de potência utilizado para avaliar dinamicamente o comportamento das estruturas de controle propostas quando o sistema de potência estudado é submetido a contingências operacionais comumente observadas durante sua operação; b) a montagem de um protótipo de sistema de potência real e de escala reduzida utilizado nos ensaios de avaliação de uma parte das estratégias de controle preditivo propostas. O protótipo de sistema de potência, formado por um motor de corrente contínua acoplado a um gerador síncrono de polos salientes conectado a um sistema de potência de escala comercial por uma pequena linha de transmissão, foi montado no Centro de Tecnologia da ELETROBRAS-ELETRONORTE (LACEN), localizado em Belém, Pará. Com os recursos deste protótipo, é possível avaliar e validar estratégias avançadas de controle, monitoração e manutenção preditiva aplicadas às máquinas elétricas rotativas em operação na ELETROBRAS-ELETRONORTE.
Acesso aberto (Open Access)
Estudo e desenvolvimento de um protótipo para redução da interferência de modo comum usando balanceamento dinâmico de impedância aplicado em biosensores e sensores eletroresistivos
(Universidade Federal do Pará, 2013-10-25) NEGRÃO, João Francisco Ribeiro; ARAÚJO, Guilherme Augusto Limeira; http://lattes.cnpq.br/8261564685433904; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
A interferência eletromagnética causada pela linha de energia elétrica afeta negativamente os sinais de instrumentos eletrônicos, especialmente aqueles com baixos níveis de amplitude. Este tipo de interferência é conhecida como interferência de modo comum. Existem muitos métodos e arquiteturas utilizadas para minimizar a influência deste fenômeno de interferência em instrumentos eletrônicos, o mais comum dos quais é a utilização de filtros rejeita banda. Este trabalho apresenta: a análise, desenvolvimento, protótipo e teste de uma nova arquitetura de filtro com característica reconfigurável para instrumentos biomédicos e medição de dados de fluxo em fluido de alta complexidade, com objetivo de reduzir a interferência de modo comum e preservar as componentes do sinal útil na mesma faixa de frequência do ruído, utilizando a técnica de equilíbrio dinâmico de impedância. Além disso, este trabalho pode ser usado em qualquer sistema de medição que também sofra interferência na frequência da linha de alimentação (50/60 Hz, no Brasil e na França, 60 Hz nos Estados Unidos da América). Os blocos de circuitos foram modelados matematicamente e a função de transferência global do circuito fechado foi gerada. Em seguida, o projeto foi descrito e simulado na língua VHDL_AMS e também em um software de simulação eletrônica, usando blocos de componentes discretos, com e sem realimentação. Após análise teórica dos resultados da simulação, um circuito protótipo foi construído e testado usando como entrada um sinal obtido a partir de eletrodos de ECG e Eletrodos Eletroresistivos. Os resultados experimentais do circuito condizem com os da simulação: uma redução de ruído de 98,7% foi obtida em simulações utilizando um sinal sinusoidal, e uma redução de 92% foi realizada utilizando eletrodos de ECG em testes experimentais. Os mesmos testes em eletrodos Eletroresistivos, obtendo o maior valor de 80,3% de redução (durante análise de 3 casos). Em ambos os casos, o sinal útil foi preservado. O método e a sua arquitetura pode ser aplicado para atenuar as interferências que ocorrem na mesma banda de frequência das componentes do sinal útil, preservando ao mesmo tempo estes sinais.
Acesso aberto (Open Access)
Investigação de estratégias de controle de ordem fracionárias aplicadas a sistemas elétricos e industriais
(Universidade Federal do Pará, 2018-11-14) AYRES JÚNIOR, Florindo Antonio de Carvalho; LENZI, Marcelo Kaminski; http://lattes.cnpq.br/8471869055654497; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
O uso de técnicas de controle é de grande importância para manter desempenhos competitivos, para sistemas elétricos e industriais, tendo em vista um rastreamento de pontos de ajuste de comportamento tão próximo quanto possível de um ponto de ajuste de operação desejado, visando a um desvio e oscilação reduzidos. Neste trabalho, são investigadas técnicas de controle automático fracionário para melhoria do desempenho de sistemas industriais. Duas técnicas de controle de ordem fracionária são estudadas. Primeiramente, um do tipo Lead-Lag de ordem fracionária (FOLL, do inglês), baseada no método de resposta em frequência e aplicada à melhoria de estabilizadores de sistemas de potência (ESP). As leis de controle são implementadas sob a forma de controle digital em um sistema embarcado em um microcontrolador. O desempenho dos compensadores é avaliado através da realização de vários testes experimentais em um sistema de potência em escala reduzida, de 10 kVA, localizado no Laboratório de Engenharia Elétrica da UFPA. São realizados testes de variação a um impulso na referência de tensão do gerador em diversos pontos de operação de potência do sistema micro gerador, além da análise de robustez do sistema utilizando uma ferramenta de plot robusto do diagrama de Bode, conhecida como RBode. Em um segundo momento, há a investigação de uma técnica de alocação de polos fracionária (FOPP) que leva em consideração critérios de resposta temporal de sistemas fracionários a três termos que, no caso deste trabalho, são o sobressinal e tempo de assentamento, aplicados em um sistema de dois tanques acoplados, e em um conversor CC/CC Buck. A técnica de controle (FOPP) é comparada com outras duas técnicas: sendo elas a técnica clássica de alocação de polos de ordem inteira (IOPP), e uma técnica de sintonia de controladores FOPID baseadas em Margens de Ganho e Margens Fase (GMPM). Os resultados são corroborados por simulações em Ambiente Matlab/Simulink. Os resultados apresentam uma redução de pelo menos, aproximadamente, 15% nos valores dos índices ITAE e ISE relacionados aos desempenhos dinâmicos dos sistemas abordados neste estudo relacionado à variável controlada, com a inserção dos controladores fracionários baseados tanto na topologia utilizando o FOLL quanto utilizando as técnicas FOPP e GMPM, comparados aos valores obtidos desses índices dos controladores sintonizados pelas técnicas de ordem inteira convencional.
Acesso aberto (Open Access)
Métododos de identificação fuzzy para modelos autoregressivos sazonais madiante a função de autocorrelação estendida
(Universidade Federal do Pará, 2016-12-13) CARVALHO JÚNIOR, José Gracildo de; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Neste estudo, é proposta uma estrategia baseada na metodologia fuzzy para a melhoria do desempenho das previsões de dados mediante um modelo de série temporal. Esta metodologia é concebida para modelagem de processos autoregressivos sazonais de média móvel e pode ser adotada sobre diversas aplicações no mundo real. Por meio da abordagem híbrida, baseada em uma versão da função de autocorrelação fuzzy, a interpolação e as capacidades de generalização de sistemas fuzzy foram exploradas para se obter uma previsão robusta, mesmo considerando séries de curta ou longa duração. A fim de aumentar a precisão do algoritmo de identicação proposto, vários parâmetros de desempenho foram testados e otimizados por simulações computacionais. Os seguintes parâmetros foram considerados nesse processo: o comprimento de trajetória da série histórica, o número de conjuntos fuzzy, e o limite para ativação do suporte dos conjuntos fuzzy triangulares. Observou-se que a função de pertinência triangular contribuiu para a melhoria do desempenho no modelo de previsão. Para demonstrar a eficácia da metodologia proposta, foram implementados quatro estudos de caso a partir de dados disponíveis na literatura. Os resultados confirmaram o bom desempenho do algoritmo proposto, permitindo a obtencão de um erro de previsão pequeno, sobretudo, em comparação com metodologias de identificação parametrica consolidadas na literatura. As projeções produzidas pelo novo método proposto, quando submetidas ao conceito de intervalo de confianca fuzzy, demonstraram uma precisão satisfatoria.
Acesso aberto (Open Access)
Previsão de raios utilizando técnicas de inteligência computacional e dados de sondagem atmosférica por satélite
(Universidade Federal do Pará, 2017-11-30) ALVES, Elton Rafael; SÁ, José Alberto Silva de; http://lattes.cnpq.br/9459574384403283; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
As descargas atmosféricas oferecem grande risco à população e às atividades que envolvem diferentes sistemas como telecomunicações, transmissão de energia elétrica, transporte e dentre outros. A previsão de ocorrência de raios pode contribuir para minimizar os riscos deste fenômeno natural. Com isso, esta tese apresenta uma proposta de modelo de previsão de raios baseada na utilização de dados de sondagens atmosféricas por satélite, validado com dados históricos de raios para áreas de estudo da região Amazônica no Brasil, mediante um estudo que considerou cinco casos de período de validade de previsão de raios: caso 1 (uma hora), caso 2 (duas horas), caso 3 (três horas), caso 4 (quatro horas) e caso 5 (cinco horas). Foram utilizadas duas metodologias diferentes de previsão: a primeira versão do previsor utilizou os dados de todas as áreas do estudo na formação aleatória dos conjuntos de treinamento, validação e teste. Em uma segunda versão, não se utilizou o critério de aleatoriedade dos dados na formação dos conjuntos de treinamento e teste, e os mesmos foram limitados para cada área do estudo, de forma a criar previsões individualizadas por área geográfica estudada. A ferramenta de engenharia utilizada para previsão foi uma Rede Neural Artificial (RNA) treinada com o algoritmo Levenberg-Marquardt backpropagation com a finalidade de classificar as modelagens preditivas de raios. A classificação consistiu na possibilidade de prever a ocorrência ou ausência de raios a partir do perfil vertical de temperatura do ar (temperatura do ar e temperatura do ponto de orvalho) obtido pelo satélite NOAA-19. Os resultados obtidos pela RNA, na primeira abordagem, foram comparados com metodologias tradicionais estabelecidas na literatura de previsão de raios, na segunda abordagem os resultados obtidos mostraram a saída do previsor para dados reais de teste. Os resultados de ambas abordagens mostraram que a RNA foi capaz de identificar adequadamente a que classe pertence um novo exemplo em relação às categorias de ocorrência ou ausência de raios. Para a primeira abordagem, obteve-se o melhor desempenho para caso 5, com uma acurácia de teste de 95,6%, enquanto que para a segunda abordagem obteve-se uma acurácia geral de teste de 82,04%.
Acesso aberto (Open Access)
Projeto de controle robusto de ordem fracionária para sistemas com incerteza paramétrica
(Universidade Federal do Pará, 2024-10-21) GOMES, Marcus Ciro Martins; AYRES JÚNIOR, Florindo Antonio de Carvalho; http://lattes.cnpq.br/1919442364965261; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Esta pesquisa apresenta uma nova metodologia que integra a Teoria de Controle de Ordem Fracionária com técnicas de Controle Robusto para lidar com a incerteza paramétrica, com o objetivo de melhorar o desempenho de sistemas incertos lineares invariantes no tempo com ordens inteiras ou fracionárias, referidos como Controle Robusto de Ordem Fracionária (FORC)). Ao contrário dos métodos tradicionais, esta abordagem proposta oferece uma nova formulação de projeto baseado em desigualdades, ampliando o escopo para descobrir soluções melhoradas através da otimização de programação linear. Consequentemente, os controladores de ordem fracionária são adaptados para garantir o desempenho transitório e de estado estacionário desejado em sistemas de malha fechada. Para facilitar a implementação digital do controlador projetado, a discretização invariante de resposta ao impulso de diferenciadores de ordem fracionária (IRID-FOD) é usada para aproximar controladores de ordem fracionária a funções de transferência de ordem inteira. Além disso, caso necessário o método de redução de ordem de Hankel pode ser aplicado, tornando os controladores mais adequados para implantação em hardware. Testes experimentais realizados em um sistema térmico, juntamente com resultados de avaliação baseados em respostas no domínio do tempo e análise de robustez apoiada por índices de desempenho e análise de valor definido, demonstram o desempenho aprimorado e robusto da metodologia FORC proposta em comparação com o controle robusto clássico sob incerteza paramétrica.
Acesso aberto (Open Access)
SmartLVEnergy: um framework para gestão energética inteligente e descentralizada de sistemas legados de baixa tensão
(Universidade Federal do Pará, 2024-07-11) FERNANDES, Rubens de Andrade; GOMES, Raimundo Cláudio Souza; http://lattes.cnpq.br/4244097441063312; COSTA JÚNIOR, Carlos Tavares da; http://lattes.cnpq.br/6328549183075122
Essencial para o progresso tecnológico e econômico, a energia elétrica requer soluções e estratégias bem fundamentadas para um gerenciamento eficiente e sustentável. Unidades consumidoras existentes, sem recursos tecnológicos modernos, necessitam de alternativas graduais para otimizar o uso de energia, aproveitando ao máximo os recursos pré-estabelecidos. Nesse contexto, o retrofit oferece uma atualização eficaz dessas infraestruturas. Modelos e estratégias sistemáticas podem padronizar e garantir a replicação dessas soluções em diferentes contextos através de abstrações conhecidas como frameworks. Contudo, há uma carência de frameworks para viabilizar a implantação de estratégias sistematizadas de retrofit para a gestão energética, especialmente no setor elétrico de baixa tensão. Para preencher essa lacuna, esta tese apresenta o framework SmartLVEnergy, proposto para orientar a concepção de estratégias inovadoras de retrofit para modernizar instalações legadas de baixa tensão com soluções de IoT, AIoT e computação distribuída, otimizando a gestão energética com recursos tecnológicos distribuídos e capacidades preditivas avançadas. Os experimentos realizados nesta tese são apresentados no formato de agregação de artigos científicos, que contribuíram para a concepção do framework SmartLVEnergy. Como resultado, foi possível implementar ferramentas de gestão energética em cenários prediais e industriais existentes de maneira sistematizada, fundamentada nas premissas do framework proposto. O enfoque principal foi a análise e previsão da demanda energética das instalações e seus respectivos circuitos, permitindo antever e mitigar eventos de ultrapassagem de demanda das unidades consumidoras, conforme as diretrizes da Agência Nacional de Energia Elétrica no Brasil. As estratégias concebidas incluíram o desenvolvimento, a utilização e a integração de recursos de sensoriamento, comunicação e computação, distribuídos localmente, na nuvem e na borda, de acordo com os preceitos do framework SmartLVEnergy, maximizando o aproveitamento dos recursos existentes conforme as necessidades específicas de cada instalação. O framework proposto é flexível e permite a integração, a expansibilidade e a interoperabilidade das soluções tecnológicas ao longo dos sistemas legados, permitindo operações conforme as peculiaridades e recursos de cada contexto pré-existente. Esta versatilidade confirma a relevância deste trabalho como uma proposta robusta e sustentável para promoção da eficiência energética na atualidade, especialmente em sistemas legados de baixa tensão.

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