Mediante a crescente necessidade de aumento na oferta de energia elétrica devido à constante elevação na demanda mundial, esta dissertação avalia o desempenho de um sistema conversor de energia de ondas marítimas em energia elétrica. O sistema em análise é o de coluna de água oscilante com turbina de dupla ação instalado na costa. Utiliza-se um modelo regular de ondas como perturbação à dinâmica de uma câmara semi-submersa gerando fluxo de ar através de uma turbina à ar de dupla ação. O sistema final é não linear e com parâmetros variantes no tempo. A dissertação investiga possibilidades para o aumento do rendimento da turbina em diferentes condições de mar através do método de simulação numérica. Após a modelagem física e matemática do sistema escolhido, inicia-se a síntese de um controlador proporcional derivativo para controle da pressão de ar na turbina em torno da pressão ideal de trabalho da mesma. A análise inclui o comparativo entre os resultados do sistema com e sem controlador e a avaliação de robustez utilizando ondas com amplitude variável. O trabalho apresenta ainda propostas de otimização do sistema para trabalhar em condições similares a região de Pecém no Brasil. Pelos resultados obtidos nas simulações, conclui-se que o rendimento e a robustez do sistema podem melhorar utilizando um sistema controlado. O rendimento do sistema poderá ainda ser otimizado para a região de instalação. / Facing the growing necessity in increasing the electrical energy offer due to the constant rise in worldwide demand, this work evaluates the performance of an ocean wave energy converter into electrical energy. The system under analysis is an oscillating water column with dual action turbine installed in a shore. A regular wave model is used as disturbance to the semi-submerged air chamber dynamic generating an air flow through the dual action air turbine. The final system is nonlinear and contains time varying parameters. This work investigates, through numerical simulation, possibilities to increase the turbine efficiency under different ocean conditions. After the physical and mathematical modeling, it is synthesized a proportional derivative controller to control the air pressure in the turbine around its ideal working pressure. The analysis of results includes a comparison between results obtained for the system with and without controller and a robustness evaluation with amplitude variation in ocean waves. The work also presents optimization proposals for the system working in conditions similar to the Pecém region in Brazil. By the results obtained with simulation, it is concluded that the efficiency and robustness were improved for the controlled system. It is observed that the efficiency can be optimized for the installation area.

With the current demand for mixed-signal SoCs, an increasing number of designers are looking for ADC architectures that can be easily implemented over digital substrates. Since ADC performance is strongly dependent upon physical and electrical features, it gets more difficult for them to benefit from more recent technologies, where these features are more variable. This way, analog signal acquisition is not allowed to follow an evolutionary trend compatible with Moore’s Law. In fact, such trend shall get worst, since newer technologies are expected to have more variable characteristics. Also, for a matter of economy of scale, many times a mixed-signal SoC presents a good amount of idle processing power. In such systems it is advantageous to employ more costly digital signal processing provided that it allows a reduction in the analog area demanded or the use of less expensive analog blocks, able to cope with process variations and uncertainty. Besides the technological concerns, other factors that impact the cost of the design also advise to transfer problems from the analog to the digital domain whenever possible: design automation and self-test requirements, for instance. Recent surveys indicate that the total cost in designer hours for the analog blocks of a mixed-signal system can be up to three times the cost of the digital ones. This manuscript explores the concept of bottom-up analog acquisition design, using statistical sampling as a way to reduce the analog area demanded in the design of ADCs within mixed-signal systems. More particularly, it investigates the possibility of using digital modeling and digital compensation of non-idealities to ease the design of ADCs. The work is developed around three axes: the definition of target applications, the development of digital compensation algorithms and the exploration of architectural possibilities. New methods and architectures are defined and validated. The main notions behind the proposal are analyzed and it is shown that the approach is feasible, opening new paths of future research. Keywords:

Conversores analógico-digitais (ADCs) têm papel fundamental na implementação dos sistemas-em-chip, do inglês System-on-Chip (SoC), atuais. Em razão dos requisitos destes sistemas e dos compromissos entre as características fundamentais dos ADCs, como largura de banda, consumo de energia e exatidão, diversas topologias e estratégias para sua implementação em circuitos integrados (CIs) têm sido desenvolvidas através dos tempos. Dentre estas topologias, os conversores sigma-delta (SDC) têm se destacado pela versatilidade, aliada ao baixo consumo e excelente exatidão. Inicialmente desenvolvidos e empregados para a conversão de sinais de baixa frequência e com operação em tempo discreto (DT), esta classe de conversores têm evoluído e nos últimos anos está sendo desenvolvida para operar em tempo contínuo e ser empregada na conversão de sinais com frequências de centenas de kHz a dezenas de MHz. Neste trabalho, os moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) são estudados, visando sua aplicação à conversão analógico-digital (AD). Os SDMs-CT oferecem vantagens significativas sobre seus homólogos em tempo discreto, como menor consumo de energia, maior largura de banda do sinal de entrada e filtro anti-alias, do inglês anti-alias filter (AAF), implícito. Entretanto, os SDMs-CT apresentam limitações adicionais, responsáveis pela degradação de seu desempenho, como os efeitos do jitter do sinal de relógio, o atraso excessivo do laço de realimentação, do inglês Excess Loop Delay (ELD), e as limitações impostas aos integradores analógicos. Após o estudo e análise de SDMs-CT e de suas limitações, foi desenvolvido um modelo comportamental no ambiente Matlab/Simulink R , que permite a simulação do impacto destas limitações no modulador, possibilitando a obtenção de uma estimativa mais aproximada do seu desempenho. Com base nestas simulações foi possível a determinação das especificações mínimas de cada bloco analógico que compõe o modulador (como o slew rate, a frequência de ganho unitário (fu) e o ganho DC dos amplificadores operacionais utilizados nos integradores) e os valores toleráveis de ELD e jitter do sinal de relógio. Adicionalmente, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para simulação de SDMs-CT compostos por DACs a capacitor chaveado e resistor, do inglês Switched-Capacitor-Resistor (SCR). Com base neste modelo e no estudo das diferentes topologias de SDMs, um circuito foi desenvolvido para aplicação em receptores de RF, sendo do tipo passa-baixas de laço único, do inglês single-loop, single-bit, de terceira ordem, voltado ao baixo consumo de energia. Este circuito foi desenvolvido em tecnologia CMOS IBM de 130 nanômetros, tendo sido enviado para fabricação. Através das simulações pós-leiaute realizadas espera-se que seu desempenho fique próximo ao que tem sido publicado recentemente sobre SDMs-CT passa-baixas de laço único e single-bit. / Analog-to-Digital Converters (ADCs) play a fundamental role in the implementation of current systems-on-chip (SoC). Due to the requirements of these systems and the tradeoffs between the main ADCs characteristics, such as signal bandwidth, power consumption and accuracy, many topologies and strategies for their implementation in integrated circuits (ICs) have been developed through the ages. Among these topologies, the sigmadelta converters (SDC) have highlighted the versatility combined with low power consumption and excellent accuracy. Initially developed and used for the conversion of low frequency signals and operation in the discrete time (DT) domain, this class of converters have been evolved and developed over the past to operate in continuous time domain for the conversion of signals with frequencies of hundreds of kHz up to tens of MHz. In this work, continuous time sigma-delta modulators (CT-SDMs) are studied focusing its application to the analog-to-digital (AD) conversion. CT-SDMs offer significant advantages over their discrete-time counterparts, such as lower power consumption, higher input signal bandwidth and implicit anti-alias filter (AAF). However, CT-SDMs present additional limitations that are responsible for their performance degradation, such as the clock jitter, Excess Loop Delay (ELD) and the limitations imposed on the analog integrators. After the study and analysis of CT-SDMs and their performance limitations, a behavioral model approach was developed in the Matlab/Simulink R environment, which allows the simulation of the limitations impact on the modulator, allowing the obteinment of a more accurate estimate of its performance. Based on these simulations it was possible to determine the minimum specifications for each block that composes the analog modulator (such as slew rate, the unity gain frequency (fu) and the DC gain of the operational amplifiers used in integrators) and tolerable values of ELD and clock jitter. Additionally, it was developed in this work a methodology for simulate CT-SDMs with Switched-Capacitor- Resistor (SCR) DACs that provide exponential waveforms. Based on this model and the study of different SDMs topologies, it was developed a low-pass, single-loop, single-bit, third order circuit focused on low-power intended for application in RF receivers. This circuit was developed in an IBM 130 nanometers CMOS technology, and was send to manufacturing. Based on the post-layout simulations it is expected to have performance close to what has been recently published of low-pass, single-loop, single-bit CT-SDMs.

Conversores A/D do tipo aproximações sucessivas (SAR) baseados em redistribuição de carga são frequentemente utilizados em aplicações envolvendo a aquisição de sinais, principalmente as que exigem um baixo consumo de área e energia e boa velocidade de conversão. Esta topologia está presente em diversos dispositivos programáveis comerciais, como também em circuitos integrados de propósito geral. Tais dispositivos, quando expostos a ambientes suscetíveis a radiação, como é o caso de aplicações espaciais, estão sujeitos à colisão com partículas capazes de ionizar o silício. Estes podem causar falhas temporárias, como um efeito transiente, uma inversão de bit em um elemento de memória, ou até mesmo danos permanentes no circuito. Este trabalho visa descrever o comportamento do conversor SAR baseado em redistribuição de carga após a ocorrência de efeitos transientes causados por radiação, por meio de simulação SPICE. Tais efeitos podem causar falhas nos componentes da topologia: chaves, lógica de controle e comparador. Estes são propagados por todo o estágio de conversão, devido à sua característica sequencial de conversão. Por fim, uma discussão sobre as possíveis técnicas de mitigação de falhas para esta topologia é apresentada. / Successive Approximation Register (SAR) Analog to Digital Converters (ADCs) based on charge redistribution are frequently used in data acquisition systems, especially those requiring low power and low area, and good conversion speed. This topology is present on several mixed-signal programmable devices. These devices, when exposed to harsh environments, such as radiation, which is the case for space applications, are prone to Single Event Effects (SEEs). These effects may cause temporary failures, such as transient effects or memory upsets or even permanent failures on the circuit. This work presents the behavior of this type of converter after the occurrence of a transient fault on the circuit, by means of SPICE simulations. These transient faults may cause an inversion on the conversion due to a transient on the control logic of the switches, or a charge or discharge of the capacitors when a transient occur on the switches, as well as a failure on the comparator, which may propagate to the remainder stages of conversion, due to the sequential nature of the converter. A discussion about the possible fault mitigation techniques is also presented.

O presente trabalho trata da formulação, algoritmização e implementação numérica de um problema não-linear de controle de fronteira livre sujeito a restrições também não lineares definido em [Fri 94] e relativo ao modelo de funcionamento de um conversor catalítico monolítico cerâmico. São apresentados resultados de algumas simulações numéricas, usando um programa em FORTRAN77, no ambiente de estações de trabalho SUN e DEC alfa 3000.

O trabalho consiste em análises experimental, teórica e computacional do escoamento dos gases de exaustão através de um conversor catalítico platina-paládio, instalado num motor de combustão interna movido a etanol. Foram realizados ensaios dinanométricos no motor para análise das medidas experimentais no sistema de exaustão e para aquisição de valores das propriedades termodinâmicas, de transporte e de concentrações químicas, os quais serviram de dados iniciais para a simulação computacional desenvolvida com a utilização dos softwares CFX e MFIX. Os programas resolvem um conjunto de equações conservativas que permitem a análise da variação da pressão, temperatura, velocidade e composição química dos gases de escape ao longo do suporte monolítico. Além de avaliar a formação e os níveis das emissões provenientes da combustão da mistura ar-combustível. A eficiência catalítica no primeiro suporte do conversor foi de 11% THC, 100% NOx e 20% CO. Foi verificada uma diferença de 1,23% entre a velocidade média experimental e a simulada. Modelos matemáticos foram aplicados no estudo da perda de carga no conversor catalítico e na relação difusão-reação do consumo e formação das espécies químicas. / The thesis describes computational, experimental, and theoretical analysis of the exhaust gases flow through a Pt/Pd catalytic converter installed on internal combustion engine burning ethanol. The obtained values related to energy properties and mass transport in experimental tests is the base of initial values for development of the computational simulation by using CFX and MFIX software. The programs solves a group of conservative equations that allow to analysis of variation such as pressure, temperature, and also, velocity of exhausting gases along the monolithic support, moreover to evaluate the formation of gases and its emission levels on the incoming air-fuel mixture combustion and its respective chemical reactions of oxidation. The catalytic efficiency through the first monolith of the converter were about of 11% THC, 100% NOx e 20% CO. It was verified also a small difference of 1,2 % between the experimental and the simulated average velocity. In addition mathematical models were applied on the study of the load loss in catalytic converter, diffusion-reaction of the consumption and also formation of chemical species.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-09-12T19:03:04Z No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) / Approved for entry into archive by Diamantino Mayra (mayra.diamantino@ufjf.edu.br) on 2016-09-13T12:50:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-13T12:50:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedrodeassissobreirajunior.pdf: 1664123 bytes, checksum: ae5400f0030a2d345dee7ce28cd98b69 (MD5) Previous issue date: 2011-09-09 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta o estudo e avaliação experimental do controle de uma topologia de conversor CC-CC boost entrelaçado aplicado em sistemas de geração solar fotovoltaica. A análise comparativa das duas principais técnicas de rastreamento de máxima potência possibilitou elucidar se o método de controle por tensão ou corrente terminal do painel solar fotovoltaico apresentam diferença significativa na eficiência do processo de conversão de energia solar em eletricidade. A estrutura de conversor elevador de tensão entrelaçado possibilita mitigar o efeito do sombreamento parcial em arranjos fotovoltaicos, reduzir o dimensionamento dos elementos passivos e prover rápida resposta transitória. Resultados de simulação e experimentais usando um Controlador Digital de Sinais comprovam o potencial da estrutura estudada para o condicionamento de energia em arranjos solares fotovoltaicos. / This work presents the study and experimental evaluation of the control of an interleaved boost DC-DC converter topology used in solar photovoltaic generation systems. The comparative analysis of two major techniques for tracking maximum power point allowed to elucidate whether the method of control by terminal photovoltaic voltage or current show significant difference in the efficiency of converting solar energy into electricity. The boost interleaved converter allows mitigating the effect of partial shading on photovoltaic arrays, reducing sizing of passive elements and providing fast transient response. Simulation and experimental results using a Digital Signal Controller demonstrate the potential of the studied structure for power conditioning in photovoltaic solar arrays.

This work developed a deep investigation about different three level three level modulation patterns that the DAB converter can operate, and the impact of these different patterns over the converter power flow and efficiency. The DAB converter can be controlled by three design variables, here defined as control trio (D1, D2, φ). D1 is the duty cycle applied to the high voltage Full Bridge, D2 is the duty cycle applied to the low voltage Full Bridge and φ is the angle between the voltages. For the selection of the control trio that allow the current flow reduction and the efficiency maximization, two algorithms based on the sweep of these variables have been developed. First, the switching frequency (fs), the transformation ratio (a) and the inductance (LHV) are defined by the weighted average efficiency (standards) which result in an optimum design (maximum efficiency) considering the transformer load curve. On the second algorithm, one figure of merit is used, here called current factor , which finds the control trio to mitigate the power flow for each operation point, specified by input and output voltages and power. As result, this work figures out the best relation of design parameters (fs, a, LHV) and of the control trio (D1, D2, φ) for all the operation range (power and voltages variations in a defined period) that results in a maximum efficiency to the DAB converter, according with the component technologies. An analysis of the conditions to get zero voltage switching on semiconductors is also performed. / Este trabalho realiza uma investigação aprofundada sobre os diferentes padrões de modulação três níveis três níveis que o conversor DAB pode assumir, e o impacto que esses diferentes padrões provocam sobre a energia circulante na estrutura e sobre o rendimento. O conversor DAB pode ser controlado por três variáveis de projeto, aqui definidos como trio de controle (D1, D2, φ). D1 é a razão cíclica aplicada ao Full Bridge do lado de alta tensão, D2 a razão cíclica aplicada ao Full Bridge do lado de baixa tensão e φ o ângulo de defasagem entre as duas tensões. Para a seleção do trio de controle que permita a redução da corrente circulante e a maximização do rendimento, foram desenvolvidos dois algoritmos baseados na varredura destas variáveis. No primeiro, através do rendimento médio ponderado (normatizado), são encontradas a frequência de comutação (fs), a relação de transformação (a) e a indutância (LHV) que resulta em um projeto ótimo (máximo rendimento) considerando a curva de carga do transformador. Já, no segundo algoritmo, é utilizada uma figura de mérito, aqui denominada de fator de corrente que encontra o trio de controle que mitiga a energia circulante para cada ponto de operação especificado pelas tensões de entrada e saída e potência. Como resultado final, este trabalho aponta a melhor combinação de parâmetros de projeto (fs, a, LHV) e do trio de controle (D1, D2, φ) para toda a faixa de operação (variações de tensões e potências no período de tempo) que implica no máximo rendimento do conversor DAB, de acordo com as tecnologias. Também é realizada uma análise das condições a serem satisfeitas para que a comutação das chaves ocorra sob zero de tensão.

O presente trabalho visa o desenvolvimento de um sistema de carga e descarga de baterias de chumbo-ácido para sistemas de geração distribuída acoplada a um conjunto de painéis fotovoltaicos e conectada à rede elétrica. O conjunto de painéis opera de forma a maximizar a energia gerada através de um algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) e a rede elétrica opera como rota para o excedente produzido pelos painéis. Para que a bateria possa ser carregada e descarregada com eficiência evitando sobrecargas e descarregamentos profundos, uma metodologia de estimação do estado de carga da bateria é implementada visando um controle mais eficiente (maximizando a vida útil da bateria) e um melhor aproveitamento da energia armazenada. Para o gerenciamento da carga e descarga do banco de baterias é utilizada uma topologia bidirecional (Boost-Buck) com controlador fuzzy P+I para estabilização de corrente ou tensão. Em relação à técnica de controle para o sistema PV, um controlador PI clássico é utilizado para regular a tensão terminal e ponto de máxima potência que é definido por um algoritmo de perturbação e observação (P&O). Para validar os controladores e os modelos teóricos desenvolvidos é construído um protótipo do sistema. São analisados, também, o comportamento do sistema de carga das baterias e painel fotovoltaico sob condições extremas como queda abrupta de irradiação solar, desconexão inesperada dos painéis e mudanças no ponto ótimo de funcionamento dos mesmos. / The present work aims to develop a system of charging and discharging lead-acid batteries for distributed generation connected to a set of photovoltaic panels, and used in grid connected applications. The set of panels operates to maximize the energy produced by means of an MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm and the power grid absorbs the extra power produced by the panels. For charging and discharging the battery pack and to prevent overload and deep discharge, a methodology for estimating the state of charge is implemented in order to obtain an efficient control technique (maximizing battery life), and more efficient use of the stored energy. To manage the charging and discharging of the battery bank a bidirectional topology (Boost-Buck) with fuzzy P+I controller for stabilization of current or voltage is used. To regards the PV control technique, a classical PI controller is employed to regulate the PV terminal voltage, and the maximum power point is determined by a perturb and observe (P&O) algorithm. To validate the controllers and the theoretical models developed is built a prototype system, and analyzed the behavior of the batteries charger and photovoltaic panel under extreme environmental conditions such as abrupt decrease of solar irradiation, unexpected panels disconnection and changes of the maximum power point of the panels.

Considerando condições anormais que o Sistema Elétrico de Potência (SEP) está sujeito, a proteção de seus elementos é um tópico importante. Dentre os equipamentos a serem protegidos, destacam-se os geradores devido a representarem elevado custo de investimento e estarem sujeitos a multas por paradas não programadas. Desta forma, com base em pesquisa bibliográfica, observa-se que não existem estudos abrangentes para a proteção individual de máquinas síncronas aplicadas à geração eólica. Além disso, considerando o contexto das smart grids, a presença de baterias e a possibilidade da operação ilhada podem alterar a dinâmica das situações de falta. Portanto, faz-se necessário um estudo do comportamento dos aerogeradores em situações de falha, sabendo que o esquema de proteção depende do tipo de gerador e da maneira como este está conectado ao SEP. Neste sentido, esta pesquisa propôs incluir uma bateria para operar com um gerador eólico de velocidade variável de forma complementar, suavizando a potência de saída e tornando o sistema de conversão de energia eólica forte o suficiente para operar no modo ilhado. A metodologia estabelece vários tipos de falhas para investigar o comportamento da turbina eólica em tais condições. Para realizar as simulações de falta, foi utilizado um simulador digital de tempo real (RTDS®). Com base nisso, um esquema composto por funções de proteção convencionais foi especificado e testado usando o software MATLAB®. Além disso, simulações em laço fechado foram realizadas com relés comercial e universal. Os resultados obtidos com o esquema proposto são bastante promissores. / Considering abnormal conditions to which the Electric Power System (EPS) may be subjected, the protection of its elements is an important topic. Among the equipments to be protected, the generators are highlighted, because they represent a high investment cost and are subjected to penalties for unscheduled stoppages. Hence, based on literature, it is observed that there are no comprehensive studies and standards for individual protection of Synchronous Generators (SGs) applied to Wind Energy Conversion System (WECS). Furthermore, considering the smart grids context, the presence of batteries and the possibility of island operation may change the dynamic of fault situations. Therefore, it is necessary to study and analyse the behavior of wind turbines in fault situations, knowing that the protection scheme is dependent on the generator type and the way it is connected to the EPS. In order to study these issues, this research proposed to include a battery to operate with a full-variable speed wind generator in a complementary way, smoothing the output power and making the WECS strong enough to operate in the island mode. The methodology establishes several fault types to investigate the wind turbine behavior in such conditions. In order to conduct the fault simulations, a real time digital simulator (RTDS®) was used. Based on this, a scheme composed by conventional protection functions were specified and tested using the MATLAB® software. Furthermore, hardware-in-the-loop simulations were performed with commercial and universal relays. Very good results in favor of the proposed scheme are presented.