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)
Alocação ótima de geração distribuída em redes de distribuição utilizando algoritmo híbrido baseado em cuckoo search e algoritmo genético
(Universidade Federal do Pará, 2018-09-02) OLIVEIRA, Victoria Yukie Matsunaga de; AFFONSO, Carolina de Mattos; http://lattes.cnpq.br/2228901515752720
Esta tese de doutorado propõe um novo algoritmo Cuckoo Search (CS) chamado Cuckoo-GRN (Cuckoo Search with Genetically Replaced Nests), que incorpora benefícios do algoritmo genético (GA) no algoritmo CS. O método proposto trata os ninhos abandonados do CS de maneira mais eficiente, substituindo-os geneticamente. Isto melhora significativamente o desempenho do algoritmo, estabelecendo o equilíbrio ideal entre a diversificação e a intensificação de busca. O novo algoritmo é utilizado para otimizar a localização e o dimensionamento de unidades de geração distribuída em um sistema de distribuição, a fim de minimizar as perdas de energia ativa, melhorando a estabilidade da tensão do sistema e o perfil de tensão. Alocações de uma ou mais unidades de geração distribuída são consideradas. O algoritmo proposto é extensivamente testado em funções matemáticas de benchmark, bem como nos sistemas de distribuição de 33 e 119 barras. Os resultados da simulação mostram que o Cuckoo-GRN pode levar a uma melhora substancial de desempenho em relação ao algoritmo CS original e a outras técnicas atualmente conhecidas na literatura, não apenas em termos de convergência, mas também de precisão da solução.
Acesso aberto (Open Access)
Análise de desempenho de algoritmos para classificação de sequências representando faltas do tipo curto-circuito em linhas de transmissão de energia elétrica
(Universidade Federal do Pará, 2019-12-05) FREIRE, Jean Carlos Arouche; MORAIS, Jefferson Magalhães de; http://lattes.cnpq.br/5219735119295290; CASTRO, Adriana Rosa Garcez; http://lattes.cnpq.br/5273686389382860
A manutenção da qualidade de energia em sistemas elétricos de potência depende do tratamento dos principais distúrbios que possam surgir em sua geração, transmissão e distribuição. Dentro deste contexto, muitos estudos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de realizar a detecção e classificação de faltas do tipo curto-circuito em sistemas elétricos através da análise do comportamento do sinal elétrico. Os sistemas de classificação de faltas em linha de transmissão podem ser divididos em dois tipos: sistemas de classificação on-line e pós-falta. No cenário pósfalta as sequências do sinal a serem avaliadas para a classificação possuem comprimento (duração) variável. Na classificação de sequências é possível utilizar classificadores convencionais tais como Redes Neurais Artificiais, Máquinas de Vetores de Suporte, K-vizinhos mais próximos e Árvore de Decisão (Floresta aleatória). Nestes casos, o processo de classificação geralmente requer um pré-processamento das sequências ou um estágio de front end que converta os dados bruto em parâmetros sensíveis para alimentar o classificador, o que pode aumentar o custo computacional do sistema de classificação. Uma alternativa para este problema é a arquitetura de classificação de sequências baseada em quadros (FBSC - Frame Based Sequence Classification). O problema da arquitetura FBSC é que esta possui muitos graus de liberdade na concepção do modelo (front end mais classificador) devendo este ser avaliado usando um conjunto de dados completo e uma metodologia rigorosa para evitar conclusões tendenciosas. Considerando a importância do uso de metodologias para classificação de faltas do tipo curto-circuito eficientes e principalmente com baixo custo computacional, este trabalho apresenta os resultados do estudo desenvolvido de análise do algoritmo KNN (K-vizinhos mais próximo) associado a medida de similaridade de Alinhamento Temporal Dinâmico (DTW) e do algoritmo HMM (Modelo Oculto de Markov) para a tarefa de classificação de faltas. Estas duas técnicas permitem o uso direto dos dados sem a necessidade de utilização de front ends, além de possuírem a capacidade de poder tratar séries temporais multivariadas e de tamanho variável, que é o caso das sequências de sinais para o caso pós-falta. Para desenvolvimento dos dois sistemas propostos para classificação foram utilizados dados simulados de faltas do tipo curto-circuito oriundos da base de dados pública UFPAFaults. Para comparação de resultados com metodologias já apresentadas na literatura para o problema, foi também avaliada, para o mesmo banco de dados, a arquitetura FBSC. No caso da arquitetura FBSC, diferentes front ends e classificadores foram utilizados. A avaliação comparativa foi realizada a partir da medida de taxa de erro, custo computacional e testes estatísticos. Os resultados obtidos mostraram que o classificador baseado no HMM se mostrou mais adequado para o problema de classificação de faltas do tipo curto-circuito em linhas de transmissão.
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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.
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Análise magnética e mecânica em transformadores sob correntes de energização e energização solidária
(Universidade Federal do Pará, 2019-10-01) LIMA, Diorge de Souza; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813
O transformador de potência é um dos equipamentos mais importantes no sistema elétrico de potência, permitindo a viabilidade da conexão dos centros geradores aos centros consumidores, mesmo estando a longas distâncias. O seu funcionamento de forma confiável e contínuo é de fundamental importância para a manutenção do serviço estando sujeitos a vários tipos de perturbações que podem acarretar em falhas. Nesta perspectiva, a realização de estudos do comportamento dinâmico dos enrolamentos de transformadores por meio de simulações computacionais, tem sido amplamente utilizada para avaliar de forma segura e precisa o seu funcionamento. Portanto, neste documento é apresentada a metodologia para investigação em um transformador de potência de 50 MVA por meio do método de elementos finitos para análise estática e no domínio do tempo. Com isso, o estudo foi realizado por meio de acoplamentos magneto-mecânico. Na primeira análise (estudo do circuito), utilizou-se do software ATPDraw para obter o comportamento da corrente de inrush e energização solidária durante a energização do banco de transformadores. Por conseguinte, no software ANSYS MAXWELL foram realizados os estudos magnéticos. Para isso, um modelo em 3D próximo ao real foi utilizado (levando em consideração as características da laminação do núcleo e dos enrolamentos, sendo alguns destes em formato de discos). Com isso, são apresentados como resultados o comportamento da indução magnética e das forças magnéticas nos enrolamentos do equipamento. Por fim, no software ANSYS STRUCTURAL foram realizados os estudos estruturais (mecânicos). Ainda, da mesma forma como anteriormente, foi utilizado um modelo em 3D próximo ao real, apresentando como resultados o comportamento da deformação total no enrolamento, o estresse mecânico sofrido e o grau de segurança durante a ocorrência da energização. Nas análises estáticas foram considerados três condições de operação: condição nominal, energização solidária e corrente de inrush. Para a condição nominal, utilizou-se dos dados de placa do equipamento, para a condição de energização (energização solidária e corrente de inrush) foi utilizado a maior amplitude obtida durante a simulação. Ressalta-se que para a análise no domínio do tempo, somente a condição da corrente de inrush foi analisada, tanto pelo elevado custo computacional exigido quanto por ser a pior condição constada na análise estática.
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Aplicações de controle preventivo baseadas em árvore de decisão para aumentar a capacidade de sobrevivência a afundamentos de tensão dos geradores de indução duplamente excitados em sistemas de potência
(Universidade Federal do Pará, 2018-09-21) VIEIRA, Dione Jose Abreu; NUNES, Marcus Vinícius Alves; http://lattes.cnpq.br/9533143193581447
Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de controle preventivo com o objetivo de aumentar a capacidade de recuperação a afundamentos de tensão (FRTC) dos geradores de indução duplamente excitados (DFIG) integrados à rede elétrica. A metodologia, baseada em árvore de decisão (DT), auxilia na monitoração e no suporte à segurança e ao controle preventivo, garantindo que os sistemas eólicos permaneçam conectados após a ocorrência de perturbações na rede elétrica. Com base em estudos off-line, a DT é utilizada com o intuito de descobrir atributos inerentes ao sistema elétrico relacionado à FRTC, fornecendo um modelo de predição rápido para aplicações em tempo real. A partir dos resultados obtidos, é possível verificar que o DFIG contribui neste contexto para a segurança da operação através da disponibilidade de despacho de potência e participação no controle de tensão. Verifica-se também que o uso da DT, além de classificar com boa precisão o estado operacional do sistema, facilita de maneira significativa a tarefa do operador, uma vez que o mesmo vai estar direcionado ao acompanhamento das variáveis realmente críticas de operação para uma determinada configuração topológica do sistema elétrico.
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Avaliação da distorção harmônica total de tensão no ponto de acoplamento comum industrial usando o processo KDD baseado em medição
(Universidade Federal do Pará, 2018-03-27) OLIVEIRA, Edson Farias de; TOSTES, Maria Emília de Lima; http://lattes.cnpq.br/4197618044519148
Nas últimas décadas, a indústria de transformação, tem proporcionado a introdução de produtos cada vez mais rápidos e energeticamente mais eficientes para utilização residencial, comercial e industrial, no entanto essas cargas devido à sua não linearidade têm contribuído significativamente para o aumento dos níveis de distorção harmônica de tensão em decorrência da corrente conforme indicadores de Qualidade de Energia Elétrica do sistema brasileiro de distribuição de energia elétrico. O constante aumento dos níveis das distorções, principalmente no ponto de acoplamento comum, tem gerado nos dias atuais muita preocupação nas concessionárias e nos consumidores de energia elétrica, devido aos problemas que causam como perdas da qualidade de energia elétrica no fornecimento e nas instalações dos consumidores e isso têm proporcionado diversos estudos sobre o assunto. Com o intuito de contribuir com o assunto, a presente tese propõe um procedimento com base no processo Knowledge Discovery in Database - KDD para identificação das cargas impactantes das distorções harmônicas de tensão no ponto de acoplamento comum. A metodologia proposta utiliza técnicas de Inteligência computacional e mineração de dados para análise dos dados coletados por medidores de qualidade de energia instalados nas cargas principais e no ponto de acoplamento comum do consumidor e consequentemente estabelecer a correlação entre as correntes harmônicas das cargas não lineares com a distorção harmônica no ponto de acoplamento comum. O processo proposto consiste na análise das cargas e do layout do local onde a metodologia será aplicada, na escolha e na instalação dos medidores de QEE e na aplicação do processo KDD completo, incluindo os procedimentos de coleta, seleção, limpeza, integração, transformação e redução, mineração, interpretação, e avaliação dos dados. Com o propósito de contribuição foram aplicadas as técnicas de mineração de dados Árvore de Decisão e Naïve Bayes e foram testados diversos algoritmos em busca do algoritmo com resultados mais significativos para esse tipo de análise conforme apresentado nos resultados. Os resultados obtidos evidenciaram que o processo KDD possui aplicabilidade na análise da Distorção Harmônica Total de Tensão no Ponto de Acoplamento Comum e deixa como contribuição a descrição completa de cada etapa desse processo, e para isso foram comparados com diferentes índices de balanceamento de dados, treinamento e teste e diferentes cenários em diferentes turnos de análise e apresentaram bom desempenho possibilitando sua aplicação em outros tipos de consumidores e empresas de distribuição de energia. Evidencia também, na aplicação escolhida e utilizando diferentes cenários, que a carga mais impactante foi a sétima harmônica de corrente das centrais de ar condicionado para o conjunto de dados coletados.
Acesso aberto (Open Access)
Avaliação da segurança de sistemas de potência para múltiplas contingências usando árvore de decisão multicaminhos
(Universidade Federal do Pará, 2017-09-15) OLIVEIRA, Werbeston Douglas de; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813; VIEIRA, João Paulo Abreu; http://lattes.cnpq.br/8188999223769913
A busca de formas eficazes para promover a operação segura de sistemas de potência e aumentar a compreensão dos operadores tem encorajado a pesquisa contínua de novas técnicas e métodos que possam ajudar nessa tarefa. Nesta tese, propõe-se uma abordagem para avaliar a segurança da operação de sistemas de potência para múltiplas contingências usando a técnica árvore de decisão multi-caminhos ou (MDT, do inglês “Multiway Decision Tree”). A MDT difere de outras técnicas de árvore de decisão por estabelecer, na etapa de treinamento, um valor de atributo categórico por ramo. Essa abordagem propõe o uso de topologias (contingências) como atributos categóricos. Desta forma, a MDT melhora a interpretabilidade em relação ao estado operacional do sistema de potência, pois o operador pode ver claramente as variáveis críticas para cada topologia, de modo que as regras da MDT possam ser usadas no auxílio à tomada de decisão. Essa abordagem proposta foi utilizada para avaliação da segurança em dois sistemas testes, o sistema IEEE 39 barras e o sistema da parte do Norte do Sistema Interligado Nacional (SIN), sendo que este último foi testado com dados reais de um dia de operação. A técnica proposta baseada em MDT demonstrou bom desempenho, utiliando um conjunto de regras simples e claras. Também foi realizada uma comparação dos resultados obtidos com outras técnicas baseadas em árvores de decisão e verificou-se que o MDT resultou em um procedimento mais simples para a classificação de segurança dos sistemas com boa precisão.
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Avaliação do impacto da produção eólica na reserva operativa de curto e longo prazo utilizando séries temporais
(Universidade Federal do Pará, 2019-05-30) SANTOS, Fernando Manuel Carvalho da Silva; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813; BRANCO, Tadeu da Mata Medeiros; http://lattes.cnpq.br/8911039344594817
Uma das principais preocupações de um planejador do sistema de energia elétrica é dimensionar os equipamentos de geração, principalmente para atender as demandas de crescimento de carga e para alcançar certos requisitos de reserva girante. Em geral, sistemas de geração devem ser dimensionados com capacidade, flexibilidade e robustez suficientes para responder aos diversos desafios operacionais. No entanto, a volatilidade e a variabilidade/intermitência acrescida pela geração eólica acarretam novas preocupações aos planejadores do sistema. Esta tese avalia o efeito da diversidade do comportamento do recurso eólico na suavização/equilíbrio das variações na potência de saída dos parques eólicos utilizando o conceito de avaliação da reserva operativa. Para isso, são utilizados modelos de avaliação da reserva operativa para representar sistemas de geração de grande porte sob várias condições de dispersão geográfica da produção de energia eólica. São testados diferentes padrões de comportamento do vento e níveis de penetração de potência eólica utilizando uma configuração modificada do sistema IEEE RTS-96 e uma configuração de planejamento do Sistema de Geração Português (SGP). Os resultados destacam que em um país de grande extensão territorial, com diferentes características do vento, a forte diversificação do comportamento do vento pode levar a uma compensação das flutuações/variações da potência eólica, o que pode diminuir significativamente as necessidades de reserva operativa do sistema. Este efeito do impacto da dispersão geográfica de parques eólicos nos requisitos de reserva é avaliado utilizando funções de distribuição de probabilidade das necessidades de reserva, estimadas por meio de simulações sequenciais de Monte Carlo (SMCS), de tal forma que sejam extraídas dessas avaliações as informações úteis sobre a flexibilidade da capacidade de geração.
Acesso aberto (Open Access)
Avaliação probabilística do impacto da recarga rápida de veículos elétricos nos sistemas de distribuição de energia elétrica
(Universidade Federal do Pará, 2024-11-13) HERNÁNDEZ GÓMEZ, Oscar Maurício; VIEIRA, João Paulo Abreu; http://lattes.cnpq.br/8188999223769913
A adoção em massa de veículos elétricos (VEs) está transformando o setor automotivo, impulsionada por preocupações ambientais e avanços tecnológicos. Governos e empresas estão investindo na expansão das redes de recarga, com foco na recarga rápida para atender à crescente demanda. O desenvolvimento de uma infraestrutura sólida de estações de recarga é essencial para eliminar a "ansiedade de autonomia" e incentivar a transição para os VEs. A recarga rápida é fundamental para o sucesso da eletrificação veicular. Com ela, as baterias podem ser carregadas muito mais rapidamente do que com a recarga convencional, o que aumenta a conveniência para os usuários e melhora a experiência geral de uso. À medida que mais estações de recarga rápida são instaladas, a confiança dos consumidores nos VEs cresce, desenvolvendo o caminho para um futuro mais sustentável. Com uma rede de recarga rápida bem distribuída, os VEs se tornam uma alternativa prática aos veículos movidos a combustíveis fósseis, acelerando a transição para uma mobilidade mais verde. Entretanto, a recarga rápida de VEs pode causar impactos técnicos nas redes de média tensão. A alta demanda de corrente pode resultar em quedas de tensão, especialmente em áreas com infraestrutura de distribuição mais frágil. Transformadores podem ser sobrecarregados, o que diminui sua vida útil e aumenta o risco de falhas. O aquecimento excessivo dos condutores devido à corrente elevada também pode causar perdas e danificar os cabos. Esses desafios ressaltam a necessidade de um planejamento adequado e investimentos na infraestrutura elétrica para suportar o aumento da recarga rápida. Uma análise probabilística do impacto da recarga rápida nas redes de média tensão é crucial. A demanda por energia varia ao longo do ano devido a fatores sazonais, como o uso de ar-condicionado no verão e aquecedores no inverno. A recarga rápida adiciona uma carga considerável à rede, que pode coincidir com esses picos de demanda, agravando os desafios de gestão. A instalação de vários pontos de recarga pode causar flutuações de tensão e sobrecargas. A análise probabilística ajuda a prever esses impactos e desenvolver estratégias de mitigação, simulando cenários de recarga e comportamentos de usuários. Isso permite um planejamento mais preciso da infraestrutura, incluindo reforços na rede e melhorias para garantir a confiabilidade do fornecimento. Esta tese propõe uma metodologia probabilística para avaliar o impacto da recarga rápida de veículos elétricos em redes de distribuição de média tensão, considerando quedas de tensão, carregamento de elementos da rede e comutações do tape do regulador de tensão. Utilizando o software Power Factory da DIgSILENT©, simula-se um alimentador real no Brasil, analisando diferentes casos de estudo. São conectados três eletropostos (EP), cada um com seis pontos de recarga de 100 kVA, totalizando 600KVA por cada EP. O perfil de recarga dos EP é programado com variáveis estocásticas. Por fim, apresenta-se uma estratégia de controle Volt/Var para mitigar o impacto na queda de tensão e nas comutações do tape do regulador, permitindo a injeção de potência reativa sem necessidade de comunicação entre os pontos de recarga.
Acesso aberto (Open Access)
Contribuição do controle secundário de tensão aplicado em um parque eólico composto de aerogeradores dfig à estabilidade de tensão de longo-prazo
(Universidade Federal do Pará, 2019-08-30) MATOS, Kayt Nazaré do Vale; AFFONSO, Carolina de Mattos; http://lattes.cnpq.br/2228901515752720; VIEIRA, João Paulo Abreu; http://lattes.cnpq.br/8188999223769913
Esta tese investiga o uso do controle secundário de tensão (CST) em um parque eólico composto de geradores de indução duplamente alimentados (DFIG) e seu efeito na estabilidade de tensão de longo-prazo. O parque eólico composto de várias turbinas eólicas é modelado como uma máquina DFIG equivalente. Primeiramente, o desempenho do CST aplicado ao parque eólico é comparado com o caso em que somente é utilizado o controle primário de tensão. Uma análise detalhada é conduzida através de simulações no domínio do tempo, considerando regimes de velocidade de vento alta e baixa, limites variáveis dos controles dos aerogeradores, cargas estática e dinâmica, bem como o modelo dinâmico do limitador de sobre corrente (OEL) e do comutador de tape sob carga (OLTC). Baseando-se nos resultados, o uso do CST em um parque eólico composto de aerogeradores DFIG pode postergar o colapso de tensão do sistema de potência. Além disso, uma situação adversa foi obtida mostrando que o CST pode levar o conversor do lado da rede (GSC) do DFIG a absorver potência reativa da rede elétrica e perder a capacidade de injetar reativos na rede. Assim, são propostas duas estratégias de controle auxiliares inseridas na malha de controle do GSC para impedir o fluxo inverso de reativos no GSC, bem como forçar o fornecimento de potência reativa para o sistema através do GSC. Os resultados indicam a eficácia das estratégias de controle auxiliares em postergar o colapso de tensão e aumentar a margem de estabilidade de tensão do sistema.
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Desempenhos térmico e energético de uma edificação na região amazônica brasileira
(Universidade Federal do Pará, 2018-09-06) AGUILAR, Heliana Maria Ceballos; PINHO, João Tavares; http://lattes.cnpq.br/0847897516772421
diminuir o consumo de energia, onde é avaliado o impacto de cada uma delas individualmente, e todas em conjunto, nos comportamentos térmico, energético e econômico de uma edificação localizada na Região Amazônica Brasileira. Esta região é caracterizada climaticamente pelas altas temperaturas e umidade, onde alcançar condições adequadas de conforto implica em um alto consumo de energia com sistemas de condicionamento de ar. Diferentes Medidas de Conservação de Energia são avaliadas, com o objetivo de alcançar um melhor aproveitamento da iluminação natural; diminuir as cargas térmicas para resfriamento, onde se considera a instalação de um material isolante térmico nas paredes leste e oeste, e de um isolante térmico e câmara de ar na cobertura, que são as superfícies externas que recebem maior radiação solar na edificação; e também vários sistemas de geração fotovoltaica, sendo que um dos sistemas está integrado como elemento arquitetônico e outro está adaptado sobre a cobertura da edificação. Na edificação são realizados dois tipos de análise: dinâmica e estática. Para a análise dinâmica utiliza-se o programa EnergyPlus, para conhecer seu comportamento térmico e de consumo de energia analisados para o ano inteiro e para os dias de projeto, e o programa Daysim/Radiance para conhecer a autonomia de iluminação natural alcançada, para tanto usando-se dados medidos por uma estação meteorológica instalada no local. Com relação à análise estática, é avaliado o nível de eficiência energética da edificação pelo método prescritivo segundo a regulamentação nacional vigente. Posteriormente, a mesma edificação é simulada para as nove capitais dos estados da Região Amazônica Legal Brasileira, com o intuito de conhecer o comportamento energético e a viabilidade econômica em resposta às características climáticas e tarifas de energia elétrica de cada cidade. Com as avaliações realizadas determina-se que as Medidas de Conservação de Energia (MCE) têm influência direta e significativa sobre a diminuição da carga térmica para resfriamento, pela redução dos efeitos da radiação, com o sombreamento nos beirais e a redução da transmitância das superfícies tratadas. Comprova-se também a possibilidade de maximizar a iluminação natural em espaços internos, para melhorar o conforto dos usuários, possibilitando seu melhor desempenho e economia em energia usada em iluminação artificial. Em termos de consumo de energia e viabilidade econômica, as MCE alcançam uma economia energética anual de até 52 % na edificação tomada como estudo de caso, e as soluções adotadas apresentam retorno do investimento financeiro, mostrando-se também adequadas para a economia de energia e viáveis economicamente em regiões com características climáticas similares.
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)
Efeito de interferência quântica no transporte eletrônico de dispositivos "quasi"-unidimensionais
(Universidade Federal do Pará, 2018-05-03) OLIVEIRA, Alexandre de Souza; SILVA, Shirsley Joany dos Santos da; http://lattes.cnpq.br/6060351208361634; DEL NERO, Jordan; http://lattes.cnpq.br/5168545718455899
O estudo de transporte eletrônico em nano dispositivos tem se mostrado de grande relevância nos últimos anos, desde o trabalho de Aviran e Ratner, baseado nas propriedades de condutividade elétrica em moléculas individuais retificadoras sob ação de um campo elétrico externo. Os polímeros orgânicos conjugados no estado puro apresentam baixa condutividade, mas quando dopados, tratados com agentes oxidantes redutores ou conectados a eletrodos de ouro (Au) e submetidos a um campo elétrico externo, passam a ter um comportamento do tipo metálico, isto é, com alta condutividade em consonância com trabalhos experimentais. Nesta pesquisa foram utilizados dispositivos constituídos de polímeros orgânicos conjugados no estado puro e também dopados com cadeias contendo ligações do tipo simples (𝜎) e duplas ( 𝜎−𝜋), alternadas entre os carbonos e estes ligados somente a átomos de hidrogênio com eletrodos de ouro (Au) conectados nas extremidades das moléculas individuais. Este estudo foi proposto para dois tipos de eletrodos: em forma de pirâmide e plano. Os dispositivos modelos foram otimizados através da Teoria de Hückel Estendido (THE) e o cálculo do transporte eletrônico foi realizado usando THE combinada com a Função de Green de Não-Equilíbrio (FGNE). Estes dispositivos são estruturas “quasi-1D” ou aproximadamente lineares e foram divididos em dois grupos: o primeiro, com quantidades ímpares de átomos de carbonos a partir de cinco (5) até dezenove (19) átomos de carbono em sua molécula individual (Grupo 1) e o segundo, com quantidades pares iniciando em seis (6) indo até vinte (20) átomos de carbono em sua molécula individual (Grupo 2). Os dispositivos foram submetidos a duas condições: em baixa tensão, variando de 0 até 0,1 Volt e em seguida a alta tensão, de 0 a 1,0 Volt. Para efeito de comparação das curvas de corrente – tensão (I-V) e condutância diferencial – tensão (G-V) entre os resultados de baixa e alta tensão, foram utilizados o mesmo intervalo de tensão, ou seja, de 0 até 0,1 Volt. Para este trabalho, foram analisados os efeitos de interferência quântica destrutiva (IQD), assim como de interferência quântica construtiva (IQC). Os efeitos de IQD são produzidos devido a anti-ressonância na transmitância evidenciadas por estados não acessados observados nos picos de transmissão não permitindo que o transporte ocorra sem apresentar oscilações na curva de condutividade.
Acesso aberto (Open Access)
Estimação das parcelas de contribuição de cargas não lineares na distorção harmônica de tensão de um barramento de interesse do sistema elétrico de potência utilizando rede neural artificial
(Universidade Federal do Pará, 2019-09-06) MANITO, Allan Rodrigo Arrifano; TOSTES, Maria Emília de Lima; http://lattes.cnpq.br/4197618044519148; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813
Apresenta-se neste trabalho uma metodologia para estimar a contribuição de cargas não lineares na distorção harmônica de tensão de um barramento de interesse do sistema elétrico de potência. A estimação é realizada através da construção de um modelo com base em redes neurais artificiais (RNA) juntamente com uma análise de sensibilidade nos neurônios de entrada da rede neural. A entrada do modelo neural é constituída pelas correntes harmônicas provenientes das cargas não lineares que compõem o sistema estudado, e a saída da RNA corresponde aos valores de tensão harmônica no barramento sob estudo, para a mesma frequência harmônica. O estudo é realizado para cada ordem harmônica individualmente e os dados necessários para a construção do modelo bem como para validação dos resultados são obtidos a partir de campanhas de medição sincronizadas e por meio de simulação computacional, através de estudos de fluxo de carga harmônico. A partir de comparações dos resultados de referência via simulação computacional com os resultados obtidos via modelo neural, é observado que a metodologia desenvolvida é capaz de classificar corretamente o grau de impacto de cargas não lineares na distorção de tensão em uma barra de interesse do sistema elétrico. Adicionalmente, é demonstrada a eficácia da metodologia em dois sistemas reais a fim de verificar o bom desempenho desta metodologia diante de dados reais obtidos durante campanhas de medição.
Acesso aberto (Open Access)
Estimador de estado harmônico trifásico incorporando Saturação de transformadores
(Universidade Federal do Pará, 2019-06-28) SOARES, Thiago Mota; TOSTES, Maria Emília de Lima; http://lattes.cnpq.br/4197618044519148; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813
Acesso aberto (Open Access)
Estrutura de redes neurais auto-associativas aplicadas ao processo de identificação de equipamentos elétricos em sistemas de monitoramento não intrusivo de cargas
(Universidade Federal do Pará, 2019-10-23) MORAIS, Lorena dos Reis; CASTRO, Adriana Rosa Garcez; http://lattes.cnpq.br/5273686389382860
A busca pela redução e racionalização do consumo de energia elétrica vem cada vez mais se tornando uma prioridade para todos consumidores em nível mundial. Ambientes residenciais são responsáveis por uma grande parte do consumo de energia elétrica. Os sistemas de monitoramento não intrusivo de cargas surgiram exatamente com o objetivo de auxílio aos consumidores, trazendo a possibilidade de se obter informações a respeito do consumo individual dos equipamentos e permitindo assim um consumo monitorado e o consequente aumento da eficiência energética. Em um sistema de Monitoramento não intrusivo de cargas - NILM quatro etapas são fundamentais: a aquisição de dados agregados através de um sensor único, a detecção de eventos de liga/desliga dos equipamentos a partir da carga agregada, a extração de características dos sinais desagregados e a identificação de equipamentos a partir das características extraídas do sinal desagregado. Neste contexto, este trabalho propõe uma nova metodologia para identificação de equipamentos elétricos em ambiente residencial empregando uma estrutura competitiva de Redes Neurais Auto-Associativas. O sistema proposto é baseado nas medidas do sinal de potência obtido a partir de eventos de liga/desliga dos equipamentos. Para testar a metodologia proposta foram desenvolvidos 3 cenários utilizando 3 diferentes bancos de dados públicos. Devido aos bons resultados alcançados, analisados com uso de métricas estatísticas, avalia-se que a metodologia proposta é capaz de executar de forma eficiente a tarefa de identificação de equipamento elétricos, podendo desta forma contribuir para o desenvolvimento de futuros sistemas de monitoramento não intrusivo que atendam as demandas do mercado.
Acesso aberto (Open Access)
Experimental evaluation, diagnosis, and prediction of the impacts of power quality disturbances in IE2, IE3, and IE4 class efficiency motors
(Universidade Federal do Pará, 2024-03-20) MUÑOZ TABORA, Jonathan; TOSTES, Maria Emília de Lima; http://lattes.cnpq.br/4197618044519148
Os motores elétricos continuam a ser a maior carga de maior uso final de energia elétrica do mundo. Com os avanços tecnológicos, suas aplicações se expandiram para abranger novas categorias como ser os veículos elétricos, transporte, navegação, entre outros. A Europa iniciou o processo de transição para as classes de motores de eficiência IE4, diante disso, espera-se que outras regiões sigam a transição para classes de motores de maior eficiência. Em algumas regiões, a tensão operacional pode ser diferente da nominal, de acordo com a norma IEC 60038-2009, isto somado a outros distúrbios como ser o desequilíbrio e harmônicos de tensão pode resultar em impactos no desempenho dessas novas tecnologias. Nesse contexto, esforços significativos têm sido dedicados à manutenção preditiva, com o objetivo de aprimorar as técnicas existentes com novas propostas que aumentem sua eficácia no diagnóstico da saúde das máquinas rotativas na presença de diferentes distúrbios presentes nos SEP. Este trabalho avalia o impacto da variação de tensão, harmônicos de tensão e diferentes porcentagens de desequilíbrios com sub e sobretensão na temperatura e desempenho de motores elétricos de indução de baixa potência classes IE2, IE3 e IE4. O estudo incorpora uma análise técnica, econômica, estatística e térmica para obter indicadores importantes relacionados ao consumo de energia, à eficiência, ao fator de potência e à temperatura. Na busca por técnicas inovadoras e complementares, este estudo também apresenta um novo Indicador de Degradação de Motor Elétrico (EMDI) baseado na análise no domínio da frequência das formas de onda da corrente do motor elétrico para diagnosticar a integridade das máquinas rotativas. Os resultados mostram que em condições ideais de operação o motor de ímãs permanentes classe IE4 apresenta melhor desempenho em termos de consumo e temperatura, porém apresentando características não lineares. Logo na presença dos diferentes distúrbios o cenário muda ao apresentar um menor desempenho quando comparado com os motores de indução gaiola de esquilo nas mesmas condições de operação. A análise realizada permitirá estabelecer e quantificar os impactos dos diferentes distúrbios presentes nos sistemas elétricos de potência no desempenho das novas tecnologias de motores elétricos a serem introduzidos posteriormente. Com relação ao indicador de diagnóstico de saúde do motor proposto, os resultados apresentados apoiam fortemente a eficácia da abordagem proposta para facilitar a implementação de práticas de manutenção preditiva. Outra importante contribuição da presente tese, é que seus resultados serão base para a implementação de uma nova regulação para a introdução de requisitos mínimos de eficiência dos motores elétricos em Honduras.
Acesso aberto (Open Access)
Ferramentas de apoio à tomada de decisão ao problema de alocação ótima de bancos de capacitores em redes de distribuição de energia considerando cargas não lineares
(Universidade Federal do Pará, 2017-12-14) ONAKA, José Henrique Dias; BEZERRA, Ubiratan Holanda; http://lattes.cnpq.br/6542769654042813; TOSTES, Maria Emília de Lima; http://lattes.cnpq.br/4197618044519148
O uso de Bancos de Capacitores (BCs) devidamente alocados vem constituindo, por muito tempo, uma das principais estratégias utilizadas para manter variáveis elétricas tais como módulo da tensão, fator de potência e carregamento de alimentadores dentro de um nível aceitável. A constante presença de harmônicos na rede acrescenta limitações no uso dessa estratégia, no entanto. Nesse contexto, este trabalho propõe a avaliação a posteriori do Índice de Ressonância (RI) no apoio à tomada de decisão juntamente com o emprego do algoritmo evolutivo multiobjetivo, SPEA2, na solução do Problema de Alocação Ótima de Bancos de Capacitores (PAOBC) em redes de distribuição radiais trifásicas considerando os fenômenos da ressonância e amplificação harmônicas devido a presença de cargas não-lineares. O PAOBC é abordado neste estudo considerando as mudanças da impedância equivalente da rede (driving point impedance) vista a partir do ponto de alocação do respectivo banco de capacitores, seja pela variação de carga durante o dia seja pelas inúmeras manobras a que o sistema é submetido. Os resultados aqui apresentados foram obtidos a partir da rede de distribuição radial trifásica IEEE 34 barras e a rede IEEE 123 barras, nas quais foram inseridos os modelos de três fontes harmônicas comumente encontradas em casos reais. Por fim, destaca-se a praticidade do uso de rotinas multiobjetivo na resolução do PAOBC e importância da avaliação de cenários de ressonância a fim de garantir o funcionamento adequado e seguro do sistema.
Acesso aberto (Open Access)
Identificação de sistemas multiforças a partir de dados de vibração e técnicas de aprendizado de máquinas
(Universidade Federal do Pará, 2024-11-07) PINHEIRO, Giovanni de Souza; NUNES, Marcus Vinícius Alves; http://lattes.cnpq.br/9533143193581447
O surgimento de defeitos em componentes dinâmicos, tende a produzir alterações nas forças geradas e podem ser detectadas por meio do espectro de resposta à vibração do equipamento. Compreender as forças que atuam sobre uma estrutura é extremamente importante, especialmente nos casos em que os pontos de medição são limitados ou inacessíveis, pois permite avaliar, entre outros fatores, se a vida útil dos componentes está comprometida pela condição atual da máquina. Nesses casos, um problema inverso precisa ser resolvido. As técnicas de Aprendizado de Máquinas vêm se destacando como uma poderosa ferramenta de predição dentre as soluções desenvolvidas para esse tipo de problema, sendo cada vez mais aplicadas na solução de problemas de engenharia. Portanto, este trabalho tem como objetivo avaliar diferentes modelos de aprendizado de máquina para a identificação de forças atuando em um sistema composto por uma placa suspensa, com base em dados de vibração medidos. Nesse sentido, um modelo computacional foi gerado e calibrado usando respostas de vibração medidas em laboratório. Um banco de dados robusto foi criado utilizando a Metodologia de Superfície de Resposta (Response Surface Methodology- SRM) em conjunto com o Delineamento de Experimentos (Design of Experiment - DOE) e, em seguida, utilizado para avaliar a capacidade dos modelos de aprendizado de máquina em prever a localização, frequência de excitação, magnitude e número de forças que atuam na estrutura. Entre os seis modelos de aprendizado de máquina avaliados, o modelo k-NN foi capaz de prever os parâmetros das forças com um erro de 0,013%, e o modelo de floresta aleatória, com um erro máximo de 0,2%. Por fim, um banco de dados, contendo uma linha de dados experimentais, foi utilizada para avaliar os modelos k-NN e Floresta Aleatória, obtendo um score de 0,96 e 0,93, respectivamente. A inovação do estudo está na aplicação do método proposto para identificação de parâmetros em sistemas multiforças.
Acesso aberto (Open Access)
Identificação em malha fechada para controle tolerante a falta passivo aplicado a um sistema industrial de bombeamento hidráulico
(Universidade Federal do Pará, 2019-08-30) ROCHA, Erick Melo; BARRA JUNIOR, Walter; http://lattes.cnpq.br/0492699174212608
Sistemas de bombeamento de fluidos fazem parte de uma infinidade de aplicações industriais. Do tradicional abastecimento de água, a sistemas de resfriamento de usinas termonucleares, até o complexo sistema de manobra de aeronaves, que faz uso de atuadores pneumáticos, nos deparamos com exemplos de aplicações destes sistemas. E, assim como qualquer processo industrial, sistemas de bombeamento podem estar sujeitos a comportamentos anômalos ou faltas, que podem levar ao mal funcionamento, ou a perda de estabilidade de um processo, provocando avarias permanentes, devido ao efeito de fenômenos indesejáveis, como a cavitação e o golpe de aríete, por exemplo. Deste modo, este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de controle tolerante a falta (FTCS – Fault Tolerante Control System) para mitigar os efeitos indesejáveis de variações de pressão e oscilações de velocidade, que podem acometer este tipo de sistema. Tal investigação parte do princípio de que, por razões econômicas, e de seguranças, sistemas industriais operam, por padrão, em malha fechada, para garantir estabilidade e desempenhos desejados. Em vista disso, é apresentada uma metodologia, para identificação da função de transferência de malha aberta de plantas industriais, a partir de dados obtidos por medição de sinais, do processo operando em malha fechada, conhecido como Método de Dois Estágios. O modelo identificado é utilizado para projetar um controlador que atenda aos critérios de desempenho definidos pelo FTCS, em substituição ao sistema de controle tradicional, supostamente em operação no sistema, e que é projetado para um ponto de operação específico e, portanto, sem levar em consideração a falta atuando no sistema. Para avaliação experimental, utilizou-se uma bancada industrial de bombeamento de fluidos, desenvolvida no Laboratório de Automação e Controle, da Universidade Federal do Pará (UFPA). Foi projetado um FTCS passivo, utilizando-se técnica de controle robusto, baseada em incertezas paramétricas. Para isso, utilizou-se um conjunto de modelos incertos, obtidos por identificação paramétrica, considerando uma faixa de operação desejada para a planta de testes, com o sistema operando tanto em condições normais quanto sob ação de falta. Índices de desempenho foram calculados afim de avaliar quantitativamente o desempenho do sistema monitorado pelo FTCS, com os resultados obtidos para o sistema operando sem o FTCS (usando controlador clássico). Os resultados obtidos demonstram o bom desempenho da metodologia proposta.