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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This study contributes to a better understanding of ignition by hot combustion gases which finds application in internal combustion chambers with pre-chamber ignition as well as in wave rotor engine applications. The experimental apparatus consists of two combustion chambers: a pre chamber that generates the transient hot jet of gas and a main chamber which contains the main fuel air blend under study. Variables considered are three fuel mixtures (Hydrogen, Methane, 50\% Hydrogen-Methane), initial pressure in the pre-chamber ranging from 1 to 2 atm, equivalence ratio of the fuel air mixture in the main combustion chamber ranging from 0.4 to 1.5, and initial temperature of the main combustion chamber mixture ranging from 297 K to 500 K. Experimental data makes use of 4 pressure sensors with a recorded sampling rate up to 300 kHz, as well as high speed Schlieren imaging with a recorded frame rate up to 20,833 frame per seconds. Results shows an overall increase in ignition delay with increasing equivalence ratio. High temperature of the main chamber blend was found not to affect hot jet ignition delay considerably. Physical mixing effects, and density of the main chamber mixture have a greater effect on hot jet ignition delay.

Neste trabalho são exploradas as potencialidades e efeitos de possíveis aplicações do UPFC (Unified Power Flow Controller) em redes elétricas. Este recente equipamento da família FACTS, apesar de mais complexo, apresenta rapidez e versatilidade de respostas que podem justificar sua aplicação em redes elétricas. São apresentados modelos matemáticos deste dispositivo, para regime permanente e transitório, utilizando transformações para coordenadas ortogonais. Com base nas respostas obtidas, durante as simulações das aplicações estudadas, pode-se constatar que a tensão série e seu posicionamento angular, introduzidos pelo UPFC, desempenham um importante papel no controle rápido e eficiente do fluxo de potência. Como contribuição deste trabalho, explorou-se a conexão do conversor shunt ao enrolamento terciário de autotransformadores, demonstrando a viabilidade do controle do fluxo de potência nestes equipamentos de transformação. O esquema proposto, instalado em transformadores em paralelo, eleva a disponibilidade de operação do UPFC, aumentando a flexibilidade operativa do sistema em implementações práticas. Através da formulação apresentada, o transformador de acoplamento shunt, convencionalmente utilizado pelo UPFC, apresenta dimensões reduzidas. Foi também examinada a possibilidade de limitação de correntes de curto-circuito, equilibrados ou não, com a ação dos controles do UPFC, particularmente, aprofundando a análise do seu desempenho mais eficiente diante de curtos monofásicos. Os resultados satisfatórios obtidos permitem considerar a viabilidade de limitação destas correntes como um subproduto interessante da atuação deste dispositivo FACTS. / In this thesis, the UPFC (Unified Power Flow Controller) various capabilities and effects for possible network applications, are studied. Although its structure is relatively more complex, when compared to the other FACTS controllers, its fast response and versatility can justify its application within the network. By utilising the orthogonal co-ordinates transform both the steady-state and transient mathematical models of the UPFC, are presented herein. Based on the results obtained and regarding the applications studied, it can be stated that the UPFC series voltage along with its phase angle play an important role for the fast and efficient control of the power flow. As a contribution of the present work, it has been proposed the connection of the shunt converter to the tertiary winding of autotransformers, demonstrating in this way the feasibility for controlling the power flow over such transforming assets. The proposed scheme, which regards two paralleled transformers, offers the UPFC a high operation availability increasing the system operative flexibility in actual implementations. By means of the proposed approach, the shunt coupling transformer, usually utilised in a classical UPFC configuration, presents a reduced size. Also, by utilising the UPFC control actions, it has been examined the possibility of short-circuit limitation over balanced and unbalanced circuits. Particularly, it has been analysed the UPFC most efficient performance towards line-to-ground faults. The satisfactory results obtained lead to consider the UPFC feasibility in limiting such currents; this, as an interesting by-product of this FACTS device action.

Neste trabalho são exploradas as potencialidades e efeitos de possíveis aplicações do UPFC (Unified Power Flow Controller) em redes elétricas. Este recente equipamento da família FACTS, apesar de mais complexo, apresenta rapidez e versatilidade de respostas que podem justificar sua aplicação em redes elétricas. São apresentados modelos matemáticos deste dispositivo, para regime permanente e transitório, utilizando transformações para coordenadas ortogonais. Com base nas respostas obtidas, durante as simulações das aplicações estudadas, pode-se constatar que a tensão série e seu posicionamento angular, introduzidos pelo UPFC, desempenham um importante papel no controle rápido e eficiente do fluxo de potência. Como contribuição deste trabalho, explorou-se a conexão do conversor shunt ao enrolamento terciário de autotransformadores, demonstrando a viabilidade do controle do fluxo de potência nestes equipamentos de transformação. O esquema proposto, instalado em transformadores em paralelo, eleva a disponibilidade de operação do UPFC, aumentando a flexibilidade operativa do sistema em implementações práticas. Através da formulação apresentada, o transformador de acoplamento shunt, convencionalmente utilizado pelo UPFC, apresenta dimensões reduzidas. Foi também examinada a possibilidade de limitação de correntes de curto-circuito, equilibrados ou não, com a ação dos controles do UPFC, particularmente, aprofundando a análise do seu desempenho mais eficiente diante de curtos monofásicos. Os resultados satisfatórios obtidos permitem considerar a viabilidade de limitação destas correntes como um subproduto interessante da atuação deste dispositivo FACTS. / In this thesis, the UPFC (Unified Power Flow Controller) various capabilities and effects for possible network applications, are studied. Although its structure is relatively more complex, when compared to the other FACTS controllers, its fast response and versatility can justify its application within the network. By utilising the orthogonal co-ordinates transform both the steady-state and transient mathematical models of the UPFC, are presented herein. Based on the results obtained and regarding the applications studied, it can be stated that the UPFC series voltage along with its phase angle play an important role for the fast and efficient control of the power flow. As a contribution of the present work, it has been proposed the connection of the shunt converter to the tertiary winding of autotransformers, demonstrating in this way the feasibility for controlling the power flow over such transforming assets. The proposed scheme, which regards two paralleled transformers, offers the UPFC a high operation availability increasing the system operative flexibility in actual implementations. By means of the proposed approach, the shunt coupling transformer, usually utilised in a classical UPFC configuration, presents a reduced size. Also, by utilising the UPFC control actions, it has been examined the possibility of short-circuit limitation over balanced and unbalanced circuits. Particularly, it has been analysed the UPFC most efficient performance towards line-to-ground faults. The satisfactory results obtained lead to consider the UPFC feasibility in limiting such currents; this, as an interesting by-product of this FACTS device action.

A single-phase, buck-boost based, dual-output AC-DC converter is studied in this thesis. The converter has two DC outputs with opposite polarities, which share the same ground with the input power line. The power stage performance, including the input filter, is studied and procedure to select power components is given. The circuit model is analyzed to develop appropriate control. Zerocrossing distortion of the source input current is addressed and a solution is proposed. Experimental results are satisfactory in that a high power factor line current results for steady-state operation.

A low-cost power router (PR), capable of dynamic, independent control of active- and reactive-power flows on meshed grids is presented. The operating principle, detailed schematics, and various possible implementations of the proposed power router are discussed. Various operating modes are identified and a control algorithm has been proposed and verified through simulations. Small-signal and frequency-domain models of the power router from basic time-domain equations are developed. A three-tier protection system based on the fail-normal switch to avoid single point-of-failure is presented. The operation of proposed protection system in isolating the converter and the grid in the event of faults is verified through simulation. An analytical method to evaluate the stability of a system with multiple power routers is proposed. Necessary conditions for the PR-controller design to ensure stable operation of a system with multiple power routers is proposed. These necessary conditions are verified through simulation studies. Potential applications of proposed power router in distribution system and the associated challenges in implementation are presented. The functionality and advantages of the proposed power router are experimentally demonstrated at 13 kV, 1 MVA. The proposed power router can result in a low cost power routing solution that can reduce electric grid congestion and efficient implementation of RPS mandates.

Um método original para a fabricação de microbocais de diamante com perfil convergente-divergente foi desenvolvido neste trabalho. O método de fabricação desenvolvido utiliza deposição de diamante policristalino sobre moldes que posteriormente são removidos. Os moldes utilizados são fios de tungstênio submetidos a um processo de corrosão eletrolítica para gerar o perfil convergente-divergente de bocal. O microbocal de diamante foi fabricado para ser utilizado como controlador e medidor passivo de vazão de fluidos, quando operando em condições críticas de escoamento. Testes de vazão de gás foram realizados, utilizando os microdispositivos fabricados, para determinar os parâmetros de escoamento necessários para a utilização dos microdispositivos como controladores e medidores de vazão de gás. Os parâmetros críticos de escoamento, a saber, a vazão mássica crítica, a razão crítica de pressão e a vazão volumétrica crítica, bem cmo a faixa do número de Reynolds do escoamento e o coeficiente de descarga, foram determinados para todos os microdispositivos. A faixa de variação do número de Reynolds dos escoamentos obtidos foi de 1x10 POT.3-7x10 POT.4. Por exemplo, o microbocal de diamante com o menor diâmetro de garganta (16+/-1)x10mum apresentou vazão mássica crítica de (0,344+006)g/min, vazão volumétrica crítica de (314+/-5)cm POT.3/min e coeficiente de descarga de (1,27+/-0,19). Assim, foram fabricados com sucesso microbobais de diamante com perfil convergente-divergente e foram determinados os parâmetros críticos de escoamento que possibilitam a estes microbocais atuarem como controladores e medidores passsivos de baixo vazão de gás. / In this work an original method for the fabrication of diamond micronozzles with converget-divergent profile is presented. The method uses the deposition of polycrystalline diamond over a mold, which is subsequently removed. The referred molds are tungsten wires patterned by means of an electrolytic etching procedure in a way that the divergent-convergent profile is generated. The main motivation for producing such micronozzles is its application as passive flow controllers and flow meters elements when operating under critical flow conditions. The micronozzles produced here were tested in order to determine the critical flow parameters that are necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements. The critical flow parameters (critical mass flow rate, critical pressure ratio and critical volumetric flow rate), the Reynolds number range and the discharge coefficient were determined for all the microdevices produced. The Reynolds number for the microdevices was found to be in the range of 1x10 POT.3-7x10 POT.4. For instance, the diamond micronozzle with smaller throat diameter, (16+/-1)x10mum, presented critical mass flow rate of (0,344+0,006)g/min, critical volumetric flow rate of (314+/-5)cm POT.3/min and discharge coefficient of (1,27+/-0,19). Therefore, diamond micronozzles were successfully fabricated with convergent-divergent profile and the critical flow parameters necessary for its operation, as passive flow controllers and flow meters elements, were determined.

Orientador: Percival Bueno de Araujo / Resumo: Neste trabalho são apresentados quatro métodos de otimização bio-inspirados, Colônia de Abelhas Artificiais, Otimização por Enxame de Partículas, Algoritmo dos Vagalumes e um híbrido aqui denominado por Bee – PSO, que combina particularidades dos outros três. Estes métodos são utilizados no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores Proporcional-Integral e Suplementares de Amortecimento (Estabilizadores de Sistemas de Potência e o conjunto Unified Power Flow Controller – Power Oscillation Damping). O objetivo é inserir amortecimento adicional aos modos oscilatórios de baixa frequência e, consequentemente, garantir a estabilidade do sistema elétrico frente a pequenas perturbações. São considerados três cenários que englobam duas configurações de instalação dos controladores suplementares e duas condições de carregamento, uma fixa e outra variável. Uma formulação por injeções de corrente do dispositivo Unified Power Flow Controller é sugerida e incorporada ao Modelo de Sensibilidade de Corrente, utilizado para representar o sistema elétrico de potência. Análises estática e dinâmica foram realizadas nos sistemas teste Simétrico de Duas Áreas e New England para validar o modelo de injeções de corrente proposto para o Unified Power Flow Controller e determinar qual dos algoritmos apresentados é o mais eficiente no ajuste coordenado dos parâmetros dos controladores. Dos resultados obtidos foi possível concluir que a versão híbrida proposta neste trabalho possui desempenho s... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work four bio-inspired optimization methods, Artificial Bee Colony, Particle Swarm Optimization, Firefly Algorithm, and a hybrid called Bee – PSO, which combines the characteristics of the other three are presented. These methods are used in the coordinated adjustment of the parameters of Proportional-Integral and Supplementary Damping Controllers (Power System Stabilizers and the Unified Power Flow Controller - Power Oscillation Damping). The goal is to insert additional damping into the low-frequency oscillatory modes and thus ensure the stability of the electrical system against minor disturbances. Three scenarios are considered that include two installation configurations of the supplementary controllers and two charging conditions, one fixed and one variable. A current injection formulation of the Unified Power Flow Controller is suggested and incorporated into the Current Sensitivity Model used to represent the electric power system. Static and dynamic analyzes were performed in the Two-Zone Symmetric and New England test systems to validate the proposed current injection model for the Unified Power Flow Controller and to determine which of the presented algorithms is the most efficient in the coordinated adjustment of the parameters of the controllers. From the results obtained it was possible to conclude that the hybrid version proposed in this work has superior performance in most scenarios analyzed, providing solutions with sufficient damping, even when smal... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

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