Mestrado Integrado Mestrado Integrado em Engenharia em Eletrónica Industrial e e Computadores

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1 Mestrado Integrado Mestrado Integrado em Engenharia em Eletrónica Industrial e e Computadores Escola de Engenharia Departamento de Electrónica Industrial Grupo de Eletrónica de Potência e Energia Especialização em Electrotecnia e Sistemas de Energia GEPE - Grupo de Electrónica de Potência e Energia João L. Afonso jla@dei.uminho.pt 1

2 GEPE - GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA 2

3 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA UCs da Especialização em Eletrotecnia e Sistemas de Energia (ESE) Sistemas de Energia Elétrica (SEE) Complementos de Eletrónica de Potência (CEP) Qualidade de Energia Elétrica (QEE) Filtros Ativos de Potência (FAP) 3

4 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA SISTEMAS DE ELÉTRICA SEE DOCENTE: PROF. JOÃO SEPÚLVEDA - Revisão dos Conceitos Básicos utilizados na Análise de Sistemas de Energia: Sistemas Trifásicos e Metodologia Por Unidade, Modelos de Transformadores e Máquinas Síncronas. - Produção de Energia Eléctrica: Centrais Hidroeléctricas, Centrais Térmicas, Centrais Nucleares. - Transporte de Energia Eléctrica: Transporte de Energia Clássico, Transporte de Energia em Corrente Contínua. - Distribuição de Energia Eléctrica: Subestações, Protecção de Sistemas de Distribuição em Média Tensão, Distribuição em Baixa Tensão. - Novas Tecnologias Aplicadas a Redes Eléctricas: Tecnologias de Energias Renováveis, Tecnologias Combinadas de Produção de Energia e Calor, Armazenamento de Energia. - Sistemas Distribuídos de Produção de Energia. - Sistemas Electrónicos de Potência para o Controlo dos Novos Sistemas Eléctricos de Energia - O Custo da Electricidade 4

5 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA COMPLEMENTOS DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA CEP DOCENTE: PROF. GABRIEL PINTO - Revisão: Máquinas Elétricas; Correção de Fator de Potência; Dispositivos de Proteção; Fontes Comutadas. - Modelagem de Componentes Eletrónicos; Transformadores de Instrumentação; Semicondutores de Potência; Condensadores (Tipos e Aplicações); Resistências Térmicas e Dissipadores. - Choques Elétricos: Causas, Sintomas e Cuidados. - Inversores de Eletrónica de Potência; Acionamentos de Velocidade Variável para Máquinas Elétricas. - UPSs (Unidades de Alimentação Ininterrupta), Sistemas de Geração de Emergência e Sistemas de Co-Geração. - Supercondutores; Células de Combustível (Fuel Cells); Veículos Elétricos e Híbridos. 5

6 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA - Qualidade de Energia Elétrica: Problemas, Normas, Sistemas de Monitorização, Soluções Tradicionais, Novas Soluções. Cuidados nas Instalações Elétricas. - Análise dos Sistemas Elétricos Monofásicos e Trifásicos (equilibrados e desequilibrados), com e sem Harmónicos. Teoria das Potências Real e Imaginária Instantâneas (Teoria p-q) aplicada ao entendimento dos problemas de Qualidade de Energia. - Compatibilidade Eletromagnética. QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA - QEE DOCENTE: PROF. JOÃO SEPÚLVEDA - Qualidade de Energia Elétrica com a utilização de Fontes de Alimentação sem Interrupção (UPSs) e Sistemas de Alimentação de Emergência. - Qualidade de Energia Elétrica em sistemas com Acionamentos de Velocidade Variável (ASDs) para Motores. 6

7 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA FILTROS ATIVOS DE POTÊNCIA - FAP DOCENTE: PROF. GABRIEL PINTO - Compensação de Reativos. Operação de Bancos de Condensadores na presença de Harmónicos. Compensação de Harmónicos. Filtros Passivos. - Transporte de Energia em Corrente Contínua. Transporte e Distribuição de Energia em Corrente Alternada. - Compensadores Estáticos de Reativos do tipo RCT e CCT. - Filtro Ativo de Potência Paralelo, Filtro Ativo de Potência Série, Unified Power Quality Conditioner (UPQC), DVR, STATCOM. - Inversores com Controlo de Tensão e de Corrente. Operação de Inversores com Conversores de 2 e 3 níveis (Conversores Multinível). - Teorias de Controlo de Filtros Ativos de Potência. 7

8 MIEEIC MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA ELETRÓNICA INDUSTRIAL E COMPUTADORES UCS COMPLEMENTARES Eletrotecnia e Instalações Elétricas Máquinas Elétricas Eletrónica de Potência Especialização em Eletrotecnia e Sistemas de Energia Sistemas de Energia Complementos de Eletrónica de Potência Qualidade de Energia Elétrica Filtros Ativos de Potência Projeto I Projeto II Energias Renováveis Instalações Elétricas DISSERTAÇÃO do MIEEIC 8

9 MIEEIC SAÍDAS PROFISSIONAIS Há Alunos do MIEEIC que fizeram a Especialidade ESE que trabalharam nas seguintes empresas: EFACEC EDP CEIIA - Centro para a Excelência e Inovação na Indústria Automóvel VISHAY - Fábrica de Condensadores BOSCH - Fábrica de Auto-rádios YAZAKI SALTANO - Fábrica de Componentes Elétricos para Automóveis POWER INTEGRATIONS - Desenvolvimento de Conversores de Eletrónica de Potência (EUA) PETROTEC FREZITE Energia e Ambiente TESLA Motors Europe Swissgrid (Suiça) Central Hidrelétrica de Cahora Bassa (Moçambique) Bolseiros de Investigação na Universidade do Minho Alunos de Doutoramento na Universidade do Minho 9

10 UC DEESPECIALIZAÇÃO EM ELETROTECNIA E SISTEMAS DE ENERGIA ESE UC de Especialização em Eletrotecnia e Sistemas de Energia (Grupo de Electrónica de Potência e Energia) ELECTRÓNICA C O NT R O L O ESE I N F O R M ÁT I C A ENERGIA 10

11 GEPE - GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) está integrado na Linha de Eletrónica Industrial do Centro Algoritmi. O GEPE é constituído por Professores do Departamento de Eletrónica Industrial da Universidade do Minho, por Investigadores contratados e por estudantes de Mestrado e de Doutoramento. Os principais interesses científicos do GEPE centram-se na aplicação da Eletrónica de Potência aos Sistemas de Energia. Têm sido realizados trabalhos de Investigação e Desenvolvimento relacionados com: - Filtros Ativos de Potência - Qualidade de Energia Elétrica - Eficiência Energética - Energias Renováveis - Veículos Elétricos e Híbridos 11

12 GEPE - GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA Carlos Alberto C. M. Couto Professor Catedrático João Luiz Afonso Professor Associado Júlio M. Sousa B. Martins Professor Associado Manuel J. Sepúlveda Freitas Professor Auxiliar João Carlos Aparício P. Fernandes Professor Auxiliar José Gabriel Pinto Professor Auxiliar Convidado Vitor Monteiro Aluno de Doutoramento Delfim Pedrosa - Aluno de Doutoramento Bruno Exposto Aluno de Doutoramento Manel Hlaili - Aluna de Doutoramento Alunos de Mestrado 12

13 ÁREAS DEINTERESSE DO GEPE Acionamentos de Motores Elétricos Qualidade de Energia Elétrica Filtros Ativos de Potência Energias Renováveis (Solar, Eólica, Micro Hídricas) Veículos Elétricos Acionamentos de Motores Elétricos Smart Grids Presente Células de Combustível Supercondutores e Levitação Magnética 13

14 GEPE - GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA 14

15 GEPE - GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA A Equipe de Investigação do GEPE está capacitada para o projeto e desenvolvimento de circuitos e conversores de Eletrónica de Potência. Diferentes tipos de conversores têm sido desenvolvidos, desde o estágio inicial de simulação até a construção final. O Laboratório do GEPE está equipado com diferentes ferramentas de software e kits de desenvolvimento: PSIM Professional PSCAD /EMTDC MATLAB /Simulink PADS PCB Design NI LabVIEW Code Composer Studio MPLAB Integrated Development Environment Developed Signal Conditioning board Developed 80 A rms Power Electronics Converter 15

16 LABORATÓRIO DO GEPE 16

17 LABORATÓRIO DO GEPE 17

18 NO GEPE DESENVOLVEMOS O NOSSO HARDWARE Power stages - 80 A rms IGBTs Converter IGBTs Command board Signal Conditioning board 18

19 NO GEPE DESENVOLVEMOS O NOSSO HARDWARE DC-Link Overvoltage Protection Digital Signal Controller DSC DSC to IGBTs Gate Driver Interface Hall-Effect Voltage Sensors 19

20 NO GEPE DESENVOLVEMOS O NOSSO HARDWARE External ADCs board DAC board 20

21 SOFTWARE DEVELOPMENT TOOLS PSIM Professional PSCAD /EMTDC MATLAB /Simulink Code Composer Studio MPLAB Integrated Development Environment PADS PCB Design 21

22 PROJETOS PROJETOS CONCLUÍDOS Projecto SINUS Tecnologia para Compensação Dinâmica de Harmónicos, Factor de Potência e Desequilíbrios DEMTEC/020/1/03 O Projecto SINUS tratou do desenvolvimento de protótipos de equipamentos demonstrados em funcionamento em 4 diferentes instalações (uma Indústria Têxtil, uma Indústria Farmacêutica, um Hospital e uma Universidade). Os equipamentos têm a função de Monitorizar os Consumos e a Qualidade de Energia Eléctrica, de Compensar os Harmónicos e os Desequilíbrios de Corrente, bem como de Corrigir o Factor de Potência. Numa das instalações o equipamento funciona simultaneamente como Interface de Fontes de Energia Renovável com a Rede Eléctrica. 22

23 PROJETOS Industrialização de Filtros Activos Trifásicos de Potência do Projecto SINUS pela EFACEC Os Filtros Activos Paralelos Trifásicos da EFACEC permitem corrigir dinamicamente o factor de potência da instalação, bem como compensar os harmónicos e desequilíbrios de corrente, anulando a corrente no condutor neutro. A EFACEC já se encontra a comercializar estes Filtros Activos. Filtro Activo Trifásico 100 A EFAPOWER-SINUS da EFACEC instalado num cliente Filtro Activo Trifásico 150 A EFAPOWER-SINUS da EFACEC 23

24 UPQC-IM-REI Condicionador Unificado para Qualidade de Energia com Monitorização Integrada e Interface para Energias Renováveis FCT - PTDC/EEA-EEL/104569/2008 O projecto foca-se no desenvolvimento de Condicionadores Activos de Potência que identifiquem possíveis distúrbios na rede eléctrica e actuam de forma a melhorar a qualidade de energia do sistema. Baseia-se numa nova topologia sem transformador de um dispositivo electrónico UPQC (Unified Power Quality Conditioner). O UPQC é um condicionador eficaz, capaz de actuar directamente sobre os maiores problemas relacionados com a qualidade das tensões e correntes num sistema eléctrico. Sistema de controlo digital aperfeiçoado com um Monitorizador de Qualidade de Energia integrado e um Sistema de Supervisão e Proteção: Registo permanente do desempenho e análise do seu comportamento para todos os distúrbios que ocorram no sistema eléctrico; Ligação suave; PROJETOS Protecção: do próprio sistema e do sistema eléctrico. Interface de fontes de energia renováveis com a rede eléctrica Interface com elementos armazenadores de energia para operar como backup em caso de falha da rede eléctrica. 24

25 ECORAIL Sistemas de Gestão e Armazenamento de Energia de Frenagem Regenerativa para Infra-Estruturas Metro-Ferroviárias (QREN) Projecto da EFACEC, em colaboração com o Metro do Porto, para desenvolvimento de sistemas de gestão e armazenamento de energia de frenagem regenerativa para infra-estruturas Metro- Ferroviárias, com a implementação de uma instalação-piloto numa infra-estrutura real. No âmbito deste projecto são da responsabilidade do GEPE Universidade do Minho as seguintes tarefas: PROJETOS Tarefa 1: Estudo da Situação Actual da Rede de Tracção do Metro do Porto Tarefa 2: Avaliação de Possíveis Soluções e dos Ganhos Energéticos delas Decorrentes Tarefa 3: Selecção de Sites para Testes dos Pilotos Tarefa 4: Validação das Soluções EuroTram Conversor de Potência do EuroTram 25

26 PROJETOS Projeto Assessment and Development of Integrated Systems for Electric Vehicles Projeto MIT-Pt/EDAM-SMS/0030/2008 Este projecto pretende contribuir para o desenvolvimento de veículos sustentáveis como parte de uma estratégia de desenvolvimento de novos paradigmas de mobilidade. Assim, esta candidatura inclui projectos distintos baseados em parcerias específicas entre empresas industriais e centros tecnológicos de investigação. No âmbito deste projecto são da responsabilidade do GEPE da Universidade do Minho as seguintes tarefas: Tarefa 4: Laboratory Implementation and Testing of the Energy Management System - Desenvolvimento e teste de sistemas de tracção para veículos eléctricos; - Desenvolvimento de uma bancada de testes para sistemas de tração elétricos. Tarefa 6: Connection to the Electrical Grid - Desenvolvimento de sistemas de carregamento lento e rápido para veículos eléctricos. 26

27 PROJETOS Projeto Assessment and Development of Integrated Systems for Electric Vehicles 27

28 PROJETOS MOBI.Car Projecto Mobilizador do PCT da Mobilidade Líder do Projeto: CEIIA (Centro para a Excelência e Inovação na Indústria Automóvel) Concepção, desenvolvimento, teste e demonstração dos principais módulos que incorporam os novos requisitos da mobilidade e de sistemas de energia e informação, com aplicação a diferentes plataformas para ambientes de mobilidade elétrica. No âmbito deste projecto o GEPE da Universidade do Minho participa no módulo MOBICarPower. Neste Projecto é da responsabilidade do GEPE o Desenvolvimento de Carregadores de Carga Normal para Fluxo Bidireccional de Energia. Imagens CEIIA 28

29 PROJETOS C E P I U M CARRO ELÉTRICO PLUG-IN DA UNIVERSIDADE DO MINHO

30 ELECTRIC BIKE PROJECT An MSc dissertation project Final Prototype 30

31 ELECTRIC BIKE PROJECT In wheel assemblage of the BLDC Motor Battery Charger 3-Phase Power Inverter for the BLDC Motor 31

32 SMART GRIDS O Futuro das Redes Eléctricas passa pelas Redes Eléctricas Inteligentes SMART GRIDS, onde há uma utilização intensiva de equipamentos de Electrónica de Potência. O GEPE Grupo de Energia e Electrónica de Potência da Universidade do Minho pretende contribuir para o desenvolvimento de soluções para as SMART GRIDS. 32

33 SMART GRIDS Broker Electrical System Manager Solar Photovoltaic Panels Micro Wind Turbines Plug-in Electric Vehicles Energy Storage Systems MPPT - PV MPPT - WT DC-AC AC-DC DC-AC AC-DC DC-AC Electrical Power Grid Legend: Data Electrical Energy 33

34 SMART GRIDS 34

35 Smart Grid Concepts: SMART GRIDS HVDC (High Voltage Direct Current) Flexibility of the transmission system, allowing asynchronous grid connections, and enabling independent active and reactive power control ensuring voltage and frequency stability. FACTS (Flexible AC Transmission Systems) Covers a number of technologies that enhance the security, capacity and flexibility of power transmission systems. WAMS (Wide Area Monitoring System) Monitor the power flows in the grid, developing a complete understanding of how the system will behave under all circumstances. CUPS (Custom Power System) Covers a number of technologies that enhance the electrical power grid power quality, providing harmonic compensation and power factor correction amongst other features. MGS (Micro Generation System) New renewable energy sources as microwind turbines and micro solar photovoltaic panels. ESS (Energy Storage System) New renewable energy sources will require some form of distributed energy storage, such as large batteries, flywheels or compressed air, to help maintain the stability of power distribution systems. 35

36 Mestrado Integrado em Engenharia UPQC Eletrónica Industrial e Computadores Unified Power Quality Conditioner SAPF Shunt Active Power Filter PQM Power Quality Monitoring CUPS CUPS WAMS MPPT-MT Maximum Power Point Tracking - Microwind Turbines MGS Expertise ESS MGS MPPT-PV Maximum Power Point Tracking - Photovoltaic Panels BBCS-SC Bidirectional Battery Charging System Sinusoidal Consumption CUPS Custom Power Systems MGS Micro Generation Systems WAMS Wide Area Monitoring Systems ESS Energy Storage Systems 36

37 IV SIMPÓSIO DO GRUPO DE ELETRÓNICA DE POTÊNCIA E ENERGIA UNIVERSIDADE DO MINHO - Campus de Azurem GUIMARÃES Anfiteatro B DE JULHO DE :00 Visita aos laboratórios do GEPE 12:00 Intervalo para almoço 14:00 Apresentação do Grupo de Eletrónica de Potência e Energia Apresentação dos Trabalhos dos Alunos de Doutoramento Apresentação dos Trabalhos dos Alunos de Dissertação de Mestrado 16:30 Visita aos laboratórios do GEPE 17:30 Encerramento 38

38 Crescimento Económico conquista-se com Desenvolvimento Tecnológico. Obrigado pela Vossa Atenção! 39