Em um momento em que questões ambientais e a segurança energética estão numa posição de destaque, Veículos Elétricos (VEs) estão no centro das atenções. Entretanto, ainda é difícil para eles substituir os tradicionais veículos de combustão interna e a razão principal para isso é o seu sistema de energia. Normalmente, devido a suas características, baterias são usadas como banco de energia para VEs. No entanto, baterias também apresentam algumas limitações para essa aplicação e o problema no sistema de energia é relacionado a essas limitações. Uma das soluções propostas é se colocar baterias e supercapacitores (SC) em paralelo, resultando em um Sistema Híbrido de Armazenamento de Energia (SHAE). Para fazer essa configuração possível e o fluxo de potência controlável em um SHAE, um conversor CC-CC bidirecional interfaceando a bateria e o SC é necessário. Levando isso em consideração, o estudo de topologias CC-CC bidirecionais é apresentado nessa Dissertação de Mestrado. Primeiro, o estudo de um conversor CC-CC bidirecional com indutor dividido, envolvendo sua análise teórica em regime permanente, análise dinâmica e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, é apresentado, resultando na construção de um protótipo experimental com as seguintes especificações de projeto: Fonte de tensão 1 de 300 V, fonte de tensão 2 de 96 V, frequência de comutação de 20 kHz e potência nominal de 1000 W. Então, o estudo de uma segunda topologia, um conversor CC-CC Buck-Boost ZVS bidirecional, envolvendo sua análise em regime permanente e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, também é apresentado. / In an era where environmental issues and the energetic safety are in an outstanding position, Electric Vehicles (EVs) are in the spotlight. However, it is difficult for them to replace the ICE vehicles and the main reason for that it is their energy system. Normally, due to some of their characteristics, batteries are used as energy bank in Electric Vehicles. Nevertheless, batteries also present some limitations for this application and the energy system problem is related to these limitations. One of the proposed solutions is to place batteries and Supercapacitors (SC) in parallel, resulting in a Hybrid Energy Storage System (HESS). To make this configuration possible and the power flow controllable in the HESS, a bidirectional DC-DC converter interfacing the battery and the SC is necessary. Taking this into account, the study of bidirectional DC-DC topologies is presented in this Master’s Thesis. First, a study of a bidirectional DC-DC converter with tapped inductor, involving its theoretical steady state analysis, dynamic analysis and design methodology with simulation results, is presented, resulting in the design of an experimental prototype with the following design specifications: Voltage source 1 of 300 V, voltage source 2 of 96 V, switching frequency of 20 kHz and rated power of 1000 W. Then, the study of a second topology, a bidirectional ZVS Buck-Boost DC-DC converter, involving he steady state analysis and a design methodology with simulation results, is also presented.

ANP; FINEP; MCT / Os escoamentos bifásicos são encontrados em diversas aplicações industriais, dentre elas na indústria do petróleo como escoamentos gás-líquido em tubulações. O conhecimento da distribuição das fases no escoamento é importante para garantir a operação eficiente e segura de plantas e equipamentos. Na área acadêmica o conhecimento dessa distribuição de fases permite o estudo de fenômenos físicos, além de permitir o desenvolvimento, refinamento e validação de modelos de escoamento. Neste trabalho, foi desenvolvido e investigado o uso de um novo sensor de múltiplas medidas de capacitância para o imageamento direto de escoamentos bifásicos. As medidas são baseadas na diferença na permissividade elétrica entre as fases, ou seja, o sensor pode ser aplicado para investigação de substâncias não-condutivas como óleos e líquidos orgânicos. Com o intuito de aprimorar a geometria do sensor e prever seu comportamento foram realizadas simulações do comportamento elétrico do sensor pelo método dos elementos finitos. O sensor é composto por dois anéis de eletrodos, um anel é o transmissor e o outro anel é o receptor, o qual é segmentado onde cada segmento é individualmente interrogado por uma eletrônica de forma rápida e multiplexada. Desta forma as imagens são geradas e formadas pelos sinais dos eletrodos distribuídos de uma maneira a representar a geometria investigada, o que elimina a necessidade do uso de técnicas de reconstrução de imagens. O sensor é construído em uma placa de circuito impresso flexível que é acoplada na parede interna de uma seção do duto. Uma eletrônica associada é responsável por detectar as variações de capacitância. O sensor desenvolvido, em conjunto com a eletrônica utilizada, foi testado em escoamentos bifásicos estáticos e dinâmicos, horizontais e verticais. As imagens diretas foram geradas para estas diferentes situações, apresentando resultados satisfatórios quando comparado com um sensor de referência. A principal contribuição deste trabalho é a apresentação de uma nova ferramenta capaz de gerar imagens diretas de escoamentos compostos por líquidos não-condutivos sem a necessidade do uso de técnicas de reconstrução de imagens. / Two-phase flow is present in many industrial applications, among them in petroleum industry as gas-liquid flow in pipelines. The knowledge of the phase distribution in the pipe flow is important for the efficiency and safety of the plants. In the academia, the knowledge of this phase distribution allows the understanding of physical phenomena, as well as gives support for the development, refinement and validation of physical models. In this work, a novel capacitive array sensor has been developed and its use was investigated to image two-phase flow. The measuring principle is based on the difference between electrical permittivity of the phases. Therefore the sensor can be applied to electrically non-conductive substances such as oil and organic liquids. Several simulations based on Finite Element Method have been performed to improve the sensor geometry and predict its electrical behavior. The sensor consists of two copper rings being one emitter and one receiver ring. Receiver ring is divided into segments which are individually interrogated by the measuring electronics in a fast and multiplexed manner. In this way, images are directly generated from acquired signals of electrodes, in a way that visually represents the investigated geometry avoiding the use of some image reconstruction technique. The sensor is fabricated in a flexible printed-circuit board which is flush- mounted inside the pipe wall. A measuring electronics is responsible to detect the capacitance changes in the electrodes. The introduced sensor along with the associated electronics has been tested in static and dynamic two-phase flow, both horizontally and vertically. Direct images were generated in these different situations showing satisfactory results when compared to a reference sensor. Main contribution of this work is the introduction of a new measuring tool which is able to image flow (also containing electrically non-conducting fluids) with no need to apply image reconstruction techniques.

CAPES; ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos bifásicos são encontrados com frequência, em atividades industriais, como por exemplo, em reatores químicos e nas operações de produção e transporte de petróleo, onde escoamentos do tipo gás-liquido são os mais comuns. Esses são caracterizados pela passagem simultânea de dois fluidos imiscíveis em um duto, podendo tomar diversas formas ao longo da tubulação, chamado de padrão ou regime de escoamento. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos ou plantas onde tais ocorrem. Desta forma, a monitoração em tempo real de escoamentos bifásicos é de grande importância. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor inteligente para monitoramento de escoamento bifásico. Foram selecionados dois parâmetros importantes de monitoração, o primeiro deles é a fração de gás e o segundo a velocidade de translação de bolhas. Para isso foi desenvolvido uma sonda capacitiva que explora a diferença da permissividade elétrica das fases para diferenciá-las. Além disso, uma eletrônica anteriormente desenvolvida foi aprimorada para tornar possível a medição de dois canais simultaneamente e o firmware modificado para realização do cálculo de fração de vazio e velocidades de forma embarcada. A resposta da sonda capacitiva desenvolvida não depende apenas da proporção volumétrica das fases, mas também da forma que estão distribuídas em seu interior, portanto simulações de campo elétrico pelo método de elementos finitos foram realizadas para o levantamento da resposta do mesmo. A resposta do sensor foi validada através de testes estáticos e em escoamentos em plantas controladas, onde os resultados foram comparados com os obtidos, em medidas simultâneas com o sensor wire-mesh, adotado como referência neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que o sensor capacitivo é capaz de medir os parâmetros de forma satisfatória. Assim, este sensor pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitoração de escoamentos bifásicos. / Two-phase flow is frequently found in industrial activities, for instance in chemical reactors or during oil production and transport, where gas-liquid flow type is the most common. Such flow is characterized by the simultaneous passage of two immiscible fluids in a pipe. The fluids may assume various spatial distributions in a pipe, which are classified into flow regimes. In many cases, the type of flow determines the efficiency and safety of the processes or plants in which they occur. The objective of this work is to develop a smart sensor for real-time monitoring of two-phase flows. Here two important monitoring parameters were selected; the first is the gas void fraction and the second translational bubble velocities. To this aim, a capacitive probe was developed that exploits the difference in electrical permittivity of the phases. In addition, a previously developed electronics have been further developed to make it possible to measure two channels simultaneously and the firmware has been modified for performing the calculation of the two parameters directly in the embedded microcontroller. The response of the capacitive probe depends not only on the volume fraction of the phases, but it also depends on the way they are distributed inside the pipe. In order to account for this, electric field simulations by finite element method were performed to survey the sensor responses. The overall sensor response was validated by static tests and controlled flow experiments in a pilot plant. The measurement results were compared with those obtained by simultaneous measurements with a wire-mesh sensor which was adopted as reference in this study. The results show that the capacitive sensor is able of measuring the parameters satisfactorily. Hence, the sensor can be applied in future work as a simple tool for two-phase flows monitoring.

CAPES; ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos bifásicos são encontrados com frequência, em atividades industriais, como por exemplo, em reatores químicos e nas operações de produção e transporte de petróleo, onde escoamentos do tipo gás-liquido são os mais comuns. Esses são caracterizados pela passagem simultânea de dois fluidos imiscíveis em um duto, podendo tomar diversas formas ao longo da tubulação, chamado de padrão ou regime de escoamento. Em muitos casos, o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos ou plantas onde tais ocorrem. Desta forma, a monitoração em tempo real de escoamentos bifásicos é de grande importância. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor inteligente para monitoramento de escoamento bifásico. Foram selecionados dois parâmetros importantes de monitoração, o primeiro deles é a fração de gás e o segundo a velocidade de translação de bolhas. Para isso foi desenvolvido uma sonda capacitiva que explora a diferença da permissividade elétrica das fases para diferenciá-las. Além disso, uma eletrônica anteriormente desenvolvida foi aprimorada para tornar possível a medição de dois canais simultaneamente e o firmware modificado para realização do cálculo de fração de vazio e velocidades de forma embarcada. A resposta da sonda capacitiva desenvolvida não depende apenas da proporção volumétrica das fases, mas também da forma que estão distribuídas em seu interior, portanto simulações de campo elétrico pelo método de elementos finitos foram realizadas para o levantamento da resposta do mesmo. A resposta do sensor foi validada através de testes estáticos e em escoamentos em plantas controladas, onde os resultados foram comparados com os obtidos, em medidas simultâneas com o sensor wire-mesh, adotado como referência neste trabalho. Os resultados obtidos mostram que o sensor capacitivo é capaz de medir os parâmetros de forma satisfatória. Assim, este sensor pode ser empregado em trabalhos futuros como ferramenta simples para monitoração de escoamentos bifásicos. / Two-phase flow is frequently found in industrial activities, for instance in chemical reactors or during oil production and transport, where gas-liquid flow type is the most common. Such flow is characterized by the simultaneous passage of two immiscible fluids in a pipe. The fluids may assume various spatial distributions in a pipe, which are classified into flow regimes. In many cases, the type of flow determines the efficiency and safety of the processes or plants in which they occur. The objective of this work is to develop a smart sensor for real-time monitoring of two-phase flows. Here two important monitoring parameters were selected; the first is the gas void fraction and the second translational bubble velocities. To this aim, a capacitive probe was developed that exploits the difference in electrical permittivity of the phases. In addition, a previously developed electronics have been further developed to make it possible to measure two channels simultaneously and the firmware has been modified for performing the calculation of the two parameters directly in the embedded microcontroller. The response of the capacitive probe depends not only on the volume fraction of the phases, but it also depends on the way they are distributed inside the pipe. In order to account for this, electric field simulations by finite element method were performed to survey the sensor responses. The overall sensor response was validated by static tests and controlled flow experiments in a pilot plant. The measurement results were compared with those obtained by simultaneous measurements with a wire-mesh sensor which was adopted as reference in this study. The results show that the capacitive sensor is able of measuring the parameters satisfactorily. Hence, the sensor can be applied in future work as a simple tool for two-phase flows monitoring.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A Tomografia de Processos é uma importante ferramenta para diversos setores da indústria. Tal importância vem da necessidade de obter informações sobre determinada propriedade física em regiões de complicado acesso, por exemplo, o interior de um duto. A tomografia é uma ferramenta muito versátil, podendo ser adaptada para investigar diversas propriedades físicas. Entre as diversas modalidades tomográficas está a elétrica, conhecida como Tomografia de Impedância Elétrica (EIT). A EIT pode ainda ser dividida em duas partes: Tomografia de Resistência Elétrica (ERT) e Tomografia de Capacitância Elétrica (ECT). Enquanto a ERT é capaz de distinguir materiais condutivos de não-condutivos, a ECT é capaz de diferenciar dois materiais não-condutivos pela sua permissividade elétrica. A modalidade de tomografia elétrica possui vantagens como: baixo tempo de aquisição, baixo custo e não-radioatividade. Os principais desafios enfrentados na tomografia elétrica são: a dependência da trajetória do campo em relação ao meio (efeito de campo mole) e a pouca quantidade de eletrodos disponı́veis para medições devido às dimensões dos mesmos. Em decorrência do efeito de campo mole, a soma da contribuição individual de cada pixel em uma região é diferente da contribuição real da região, em outras palavras, é um problema não-linear. Devido a pequena quantidade de eletrodos, em geral 8 ou 12, reconstruir uma imagem com resolução prática é um problema mal-posto. Muitos métodos foram propostos para contornar essas dificuldades, grande parte se baseia em um modelo linearizado do sistema e na resolução de um problema inverso. Neste trabalho é proposto um método de reconstrução de imagens com representação esparsa, no qual busca-se reconstruir uma imagem composta de poucos elementos de uma base redundante. Esses elementos são aprendidos a partir de sinais de treinamento e usados como entrada para um modelo de ECT. As respostas, em capacitância, desse modelo formam uma matriz de sensibilidade redundante. Tal matriz pode ser interpretada como uma linearização por partes do problema direto. Para validação desse algoritmo foram realizados experimentos em escoamentos bifásicos ar-água. Os sinais de treinamento foram obtidos com o uso de um sensor de ECT em conjunto com um sensor wire-mesh capacitivo. Os resultados obtidos demonstram a capacidade do método proposto em reconstruir imagens a partir de 8 medições de capacitâncias. As imagens reconstruı́das apresentam melhores resultados, segundo diferentes métricas, quando comparados a outros métodos com representações esparsas. / Process Tomography is an important tool for many sectors of industry. Such importance comes from the necessity of obtaining knowledge of physical properties from hard reaching places, as the interior of a solid object or pipe. Tomography is a very versatile tool, it can be adapted for investigating different physical properties. Among the many tomographic modalities is the electrical, know as Electrical Impedance Tomography (EIT). The EIT can also be divided in two: Electrical Resistance Tomography (ERT) and Electrical Capacitance Tomography (ECT). While the ERT is capable of distinguishing conducting materials from non-conducting ones, the ECT is capable of distinguishing two non-conducting materials by their electrical permittivity. The electrical modality has advantages such as: low acquisition time, low cost and non-radioactive. The main challenges of electrical tomography are: dependency of the trajectory of the field in the medium (effect know as soft-field) and the low number of electrodes available for measurement due to their sizes. As a result of the soft-field effect, the sum of individual contributions of small discrete segments in a given region is different from the contribution of the entire region as one. In other words, the relation between the electrical property and the electrical measurements are non-linear. Due to the small number of measuring electrodes, commonly 8 or 12, reconstructing images with practical resolution is an ill-posed problem. In order to overcome these obstacles, many methods were proposed and the majority are based on the resolution of an inverse problem of a linear model. This work proposes a method of image reconstruction with sparse inducing regularization that seeks to obtain an image representation with only few elements of a redundant basis. The elements of this basis are obtained from training images and used as input of an ECT simulation. The output capacitances of the model make up the columns of a redundant sensitivity matrix. Such matrix can be viewed as a piecewise linearization of the direct problem. For validation purposes, experimental tests were conducted on two-phase flows (air-water). The training signals were obtained from an experiment with a capacitive wire-mesh sensor along with an ECT sensor. The results obtained show that the proposed method is capable of reconstructing images from a set of only 8 capacitance measurements. The reconstructed images show better results, according to different metrics, when compared to other methods that also use sparse representations.