"A flow control method for minimizing losses in a highly loaded compressor blade was analyzed. Passive and active flow control experiments with vortex generator jets were conducted on a seven blade linear compressor cascade to demonstrate the potential application of passive flow control on a highly loaded blade. Passive flow control vortex generator jets use the pressure distribution generated by air flow over the blade profile to drive jets from the pressure side to the suction side. Active flow control was analyzed by pressuring the blade plenum with an auxiliary compressor unit. Active flow control decreased profile losses by approximately 37 % while passive flow control had negligible impact on the profile loss of a highly loaded blade. Passive flow control was able to achieve a jet velocity ratio, jet velocity to upstream velocity, of 0.525. The success of active flow control with a velocity ratio of 0.9 suggests there is potential for passive flow control to be effective. The research presented in this thesis is motivated by the potential savings in the applications of passive flow control in gas turbine axial compressors by increasing the aerodynamic load of each stage. Increased stage loading that is properly controlled can reduce the number of stages required to achieve the desired pressure compression ratio."

Matrices reasoning tests, which contain missing pieces in matrices that participants attempt to figure out, are one of the most popular types of tests to measure general intelligence. This thesis introduces several methods to develop matrices items, and presents them in different test forms to assess general intelligence. Part 1 introduces the development of a matrices test with reference to Carpenter’s five rules of Raven’s Progressive Matrices. The test items developed were administered together with the Standard Ravens’ Progressive Matrices (SPM). Results based on confirmatory factor analysis and inter-item correlation demonstrate good construct validity and reliability. Item characteristics are explored with Item-Response Theory (IRT) analyses. Part 2 introduces the development of a large item bank with multiple alternatives for each SPM item, with reference to the item components of the original SPM. Results showed satisfactory test validity and reliability when using the alternative items in a test. Findings also support the hypothesis that the combination of item components accounts for item difficulty. The work lays the foundation for the future development of computer adaptive versions of Raven’s Progressive Matrices. Part 3 introduces the development of an automatic matrix item generator and illustrates the results of the analyses of the items generated using the distribution-of-three rule. Psychometric properties of the items generated are explored to support the validity of the generator. Figural complexity, features, and the frequency at which certain rules were used are discussed to account for the difficulty of the items. Results of further analyses to explore the underlying factors of the difficulty of the generated items are presented and discussed. Results showed that the suggested factors explain a substantial amount of the variance of item difficulty, but are insufficient to predict the item difficulty. Adaptive on-the-fly item generation is yet to be possible for the test at this stage. Overall, the methods for creating matrices reasoning tests introduced in the dissertation provide a useful reference for research on abstract reasoning and fluid intelligence measurements. Implications for other areas of psychometric research are also discussed.

Une des préoccupations majeures de la recherche dans le domaine de l’énergie est la diminution de la production des gaz à effet de serre et la réduction de notre empreinte écologique. Les générateurs thermoélectriques participent à une démarche globale d’efficacité énergétique en convertissant directement une partie de l’énergie thermique qui les traverse en énergie électrique. Ces derniers sont encore peu utilisés et rares sont les travaux qui traitent de leur optimisation. Ce travail a permis d’explorer les stratégies d’intégration des modules thermoélectriques dans les ensembles définis par les utilisateurs finaux en utilisant une méthodologie basée sur une modélisation complète des systèmes du flux de chaleur à la production électrique. Un code numérique couplant les équations de la thermique, de la thermoélectricité et de l’électricité a été développé et permet d’observer l’influence de plusieurs paramètres sur la production d’électricité (débit et température de la source chaude, débit et température de la source froide, type de modules thermoélectriques, emplacement des modules,…). La validation de ce modèle a nécessité la réalisation et l’instrumentation de plusieurs prototypes expérimentaux dont le plus conséquent est une boucle d’air à haute température alimentant un prototype de générateur thermoélectrique modulable. La conception et la réalisation de convertisseurs électriques dédiés, à recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT), a permis de tester ces prototypes au point d’adaptation optimale. Enfin, une méthode d’optimisation appliquée au modèle nous délivre le nombre de modules ainsi que leur emplacement pour une production électrique maximale. Un outil de dimensionnement et d’optimisation de générateurs thermoélectriques est maintenant disponible. Il nous a permis tout d’abord d’étudier la faisabilité d’une production d’électricité en zones isolées au travers d’un prototype de cuisinière à bois thermoélectrique. Puis nous avons analysé la faisabilité dans le domaine de l’automobile en se plaçant à un point de fonctionnement précis correspondant au gaz d’échappement. / A major concern of research in the field of energy is the decrease in the production of greenhouse gas emissions and reducing our ecological footprint. Thermoelectric generators participate in a comprehensive approach to energy efficiency by directly converting a part of the thermal energy that flows through in electricity. This work explore strategies for integrating thermoelectric modules in sets defined by end users using a methodology based on a complete systems modelling from heat flow to power generation. A numerical code coupling equations of heat transfers and thermoelectricity was developed and used to observe the influence of several parameters on the production of electricity (flow and temperature of the hot source, flow and temperature of the cold source, type of thermoelectric modules, module location...). The validation of this model has necessitated the construction and the instrumentation of several experimental prototypes which for the most important is a hot air loop supplying a prototype flexible thermoelectric generator. The design and the realization of dedicated electrical converters to research the maximum operating point (MPPT) was performed to test these prototypes optimal adaptation issue. Finally, an optimization method applied to the model delivers us the number of modules and their location for maximum power production. A tool for design and optimization of thermoelectric generators is now available. It has allowed us to study the feasibility of an integrated thermoelectric generation in a variety of systems such as the automobile using exhaust gas or a specific cook stove for developing countries.

O presente trabalho trata do estudo do fatiamento de cristais de quartzo quanto as suas características e influências na fabricação de micro sistemas eletromecânicos (MEMS). A metodologia é iniciada pelo projeto estruturado de um MEMS, convergindo para um gerador energia elétrica do tipo energy harvest, capaz de gerar energia limpa, renovável, de escala reduzida (micro componente), de baixa potência e com vistas para aplicação comercial. Geração de energia tem se tornado um tema cada vez mais frequente, em especial energia para sistemas autônomos (wireless) aonde o uso de baterias é restritivo ou até mesmo inviável devido às dimensões e dificuldade de manutenção. A fabricação de MEMS é a etapa de maior investimento financeiro e por consequência, maior estudo. No caso do gerador de energia, a ênfase recai sobre os processos de corte, que consomem a maior parte do processo fabril. O objetivo do presente trabalho é avaliar o processo de corte abrasivo do quartzo e a influência dos defeitos impregnados pelo processo, sobre o desempenho de geradores de energia piezelétricos baseados em quartzo sintético e natural. Os processos de corte com uso de fita abrasiva (band saw) e disco abrasivo (dicing saw) se destacaram devido aos bons resultados, disponibilidade, produtividade e baixo custo. Procedimentos de corte também foram realizados em outros materiais - Alumina Policristalina 99,8% e Silício (111) - como estudo comparativo das características do mecanismo de remoção de material aplicado aos processos de corte abrasivos. Os parâmetros de corte foram trabalhados em busca de melhor qualidade, que significa redução da impregnação de falhas (principalmente, o chipping e backside chipping) e melhor acabamento das superfícies geradas pelo corte final. Foram obtidas peças nos planos AT, X, Y e Z, com espessuras a partir de 0,5 mm, segmentadas em larguras de 1 a 7 mm. / This work is a study of characteristics and influences of cutting process in manufacturing of microelectromechanical systems (MEMS) based on quartz single crystal. The methodology starts by the structured design of a MEMS device, converging to an electric power generator device, type energy harvest that generates clean energy, renewable, with small dimensions (micro component) and low power. Power generating has become a frequent topic, especially the power generation for wireless devices systems, which use of batteries can be restrictive or even impracticable because of dimensions and difficult of maintenance. The base of the study is the process manufacturing of MEMS, which is the major investment and because of this, the most studied stage. In the case of a power generator, the emphasis is on the cutting process that consumes most part of the work flow. The objective of this work is evaluate the abrasive cutting process of quartz and the influence of defects generated by the cutting process applied to the performance of piezoelectric power generators based on synthetic and natural quartz crystal. The abrasive cutting process of band saw and dicing saw were featured due availability and high productivity with low cost. Procedures of cutting were also applied in other materials - Alumina Polycrystalline 99,8% and Silicon (111) - as comparison for material removal mechanism in cutting process. The process parameters were optimized to reach better cutting quality, which means reduction in faults (mainly, chipping and backside chippings) and better surface finishing from cutting process. It was obtained pieces from AT, X, Y and Z cutting plans, with thickness starting from 0,5 mm and widths from 1 to 7 mm.

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Introdução: A Locomoção tem como uma das características básicas a ritmicidade. Entre os mecanismos que envolvem seu controle destaca-se o conceito de um gerador de padrão central (GPC) capaz de gerar atividades neurais e musculares rítmicas. A técnica de treino locomotor com suspensão de peso na esteira (TLSP) utiliza esse conceito e emerge como uma estratégia terapêutica efetiva após a lesão medular (LM) em humanos em função do alto nível de automatismo do sistema nervoso, podendo ser esperadas diferentes respostas em lesões completas e incompletas. Portanto, uma análise detalhada das respostas biomecânicas obtidas durante o TLSP pode servir como base para compreensão do controle neural da locomoção humana. Objetivos: Caracterizar, a partir de parâmetros biomecânicos, a marcha com suspensão parcial de peso e assistência manual em indivíduos com lesões medulares completas e incompletas. Método: 40 indivíduos (20 com LM e 20 sem lesão) foram divididos em quatro grupos: Lesão Medular ASIA A (GLA), Lesão Medular ASIA B (GLB), Lesão Medular ASIA C e D (GLC) e Grupo Controle (GC) composto por sujeitos sem lesão. Durante o TLSP, ambos os grupos foram submetidos ao mesmo protocolo, com suspensão do peso corporal, duração total do treino e velocidades pré-definidas. Foram coletados dados de eletromiografia de superfície e a análise cinemática foi realizada por meio de 7 centrais inerciais. As análises foram realizadas por meio de análise de variância múltipla (MANOVA) Resultados: Em relação às variáveis cinemáticas o GC apresentou menor tempo de apoio em relação ao GLA não havendo diferenças entre os outros grupos com lesão medular. Quanto à ativação muscular o GLA e GLB apresentaram maior atividade de músculos proximais com co-contrações, GLC atividade proximal similar à GLA, GLB e distal similar ao GC que apresentou níveis mais baixos de atividade muscular com maior atividade distal em relação a proximal. Para o momento do pico de atividade, o GC apresentou momento antecipado para músculos proximais, atrasado para músculos distais em relação aos grupos com LM. Conclusão: Quando comparados ao GC, os grupos com LM apresentaram maiores amplitudes de sinal eletromiográfico, provavelmente pelo fato de o GC realizar a tarefa de forma mais eficiente com menor demanda de ativação muscular. Não foi possível reconhecer padrões rítmicos de ativação nos grupos com LM / Introduction: The locomotion has a characteristic the rhythmicity. Concerning the understanding of the mechanisms involving its control, the concept of a central pattern generator (GPC) capable of generating neural and muscular rhythmic activities stands out. The body weight support treadmill training (BWSTT) technique uses this concept and emerges as an effective therapeutic strategy after spinal cord injury (LM) in humans due to the high level of automatism of the nervous system, and different responses can be expected in complete and incomplete injuries. Therefore, a detailed analysis of the biomechanical responses obtained during BWSTT may serve as a basis for understanding the neural control of human locomotion. Objectives: To characterize, from biomechanical parameters, treadmill gait with body weight support in individuals with complete and incomplete spinal cord injury. Method: 40 individuals (20 with LM and 20 without lesion) were divided into four groups: ASIA A (GLA), ASIA B (GLB), ASIA C and D (GLC) and Control Group (GC) composed of subjects without injury. During BWSTT, both groups were submitted to the same protocol, with pre-defined body weight suspension, total training duration and speeds. Surface electromyography data were collected and kinematic analysis was performed by means of 7 inertial power plants. The analyzes were performed through multiple variance analysis (MANOVA). Results: In the kinematic variables, the CG presented less support time in relation to the GLA and there were no differences between the other groups with spinal cord injury. As for muscle activation, GLA and GLB presented higher activity of proximal muscles with co-contractions, GLC presented similar proximal activity similar to GLA, GLB and distal similar to GC, which presented lower levels of muscular activity with greater distal activity in relation to proximal muscles. For the moment of peak activity, the GC presented early moment for proximal muscles, delayed to distal muscles in relation to the groups with LM. Conclusion: When compared to CG, the groups with LM presented higher amplitudes of electromyographic signal, probably because the CG performed the task more efficiently with less demand for muscle activation. It was not possible to recognize rhythmic patterns of activation in the LM groups

Este trabalho apresenta uma nova metodologia para estimar parâmetros de geradores síncronos baseada na análise de sensibilidade de trajetória. Esta nova metodologia foi concebida com o objetivo de suplantar dificuldades de convergência que a metodologia de sensibilidade de trajetória tradicional apresenta devido a: (i) baixa robustez com relação aos valores iniciais dos parâmetros e ruído nas medidas, (ii) impossibilidade de lidar com singularidades que podem se apresentar nas equações algébricas do modelo de EAD (equações algébrica-diferenciais) que levam a inexistência de soluções, especialmente quando os parâmetros estão distantes dos valores verdadeiros. Apesar de ter sido desenvolvida para resolver o problema de estimação de parâmetros do gerador síncrono, a metodologia é geral e pode ser aplicada para uma classe grande de sistemas dinâmicos não-lineares. Neste sentido, a principal contribuição desta tese é a proposição de uma nova metodologia baseada na sensibilidade de trajetória para estimar parâmetros de sistemas dinâmicos não-lineares restritos, ou seja, modelados por EADs. Mais precisamente, relaxa-se a restrição de igualdade do sistema dinâmico, substituindo-a por uma formulação alternativa baseada na minimização da função algébrica do modelo de EAD. Uma segunda contribuição desta tese está relacionada à modelagem do gerador. Neste sentido, a escolha de variáveis de estado, das entradas e saídas, é fundamental para o sucesso da metodologia de estimação de parâmetros. Nesta tese, estas escolhas permitem que os parâmetros mecânicos e elétricos possam ser estimados independentemente. Para estimar os parâmetros elétricos, o gerador é modelado por um conjunto de EADs para que os seguintes requisitos práticos sejam atendidos: (i) estimar os parâmetros a partir de medidas de perturbações obtidas com o gerador em operação, (ii) usar apenas medidas de fácil acesso, (iii) não depender dos parâmetros da rede. Como resultado final, propõe-se um algoritmo que combina a nova metodologia de sensibilidade de trajetória para sistemas restritos com um algoritmo de estimação em duas fases para estimar os parâmetros do gerador síncrono. A metodologia proposta é robusta aos valores iniciais dos parâmetros e atende aos requisitos práticos mencionados anteriormente. Além disso, a estimação do ângulo de potência é um subproduto da metodologia proposta. / This research proposes a new methodology to estimate parameters of synchronous generators based on trajectory sensitivity analysis. This new methodology was created to overcome convergence difficulties presented by the traditional trajectory sensitivity methodology due to: (i) low robustness with relation to initial parameter values and noisy measurements; and (ii) singularities in the algebraic equation of the model of differential-algebraic equations (DAEs) that lead to the nonexistence of solutions, especially when the parameters are far from of the true values. Although the methodology has been developed to solve the synchronous generator problem, it is general and can be used for many types of nonlinear dynamic systems. Therefore, the main contribution of this thesis is the proposal of a new methodology based on trajectory sensitivity to estimate parameters of nonlinear dynamic systems with constraints, i.e., systems modeled by DAEs. More precisely, the equality constraint of the dynamic system is relaxed by an alternative formulation based on the minimization of the algebraic function of the model of DAEs. A second contribution of the thesis is related to the model of the generator. For this intention, the selection of the state variables, inputs and outputs is fundamental for the success of the parameter estimation methodology. In this thesis, this selection allows the generators mechanical and electrical parameters be estimated independently. In order to estimate the electrical parameters, the generator is modeled by a set of convenient DAEs to fulfill the following practical requirements: (i) estimation of the generator parameters from the disturbance measurements obtained with the machine in operation; (ii) use of easily accessible measurements; and (iii) independence of the network parameter. As a final result, an algorithm which combines the new methodology of trajectory sensitivity to constrained systems with the two-stage estimation algorithm is proposed to estimate the generator parameters. This proposed methodology is robust for parameters initial values and fulfills the practical requirements above mentioned. In addition, the estimation of the power angle is a byproduct of the proposed methodology.

Havendo qualquer distúrbio em um determinado sistema de distribuição de energia elétrica na presença de geradores distribuídos (GDs), é procedimento habitual exigido pelas concessionárias a desconexão destes na intenção de evitar a formação de um sistema ilhado eletricamente sustentado. Este procedimento tem como objetivo evitar maiores danos tanto ao sistema elétrico como um todo, principalmente ao próprio gerador distribuído, bem como às pessoas envolvidas na manutenção desse sistema. Entretanto, esse fato diminui consideravelmente as contribuições do conceito de geração distribuída à melhoria da qualidade dos serviços de fornecimento de energia elétrica por parte das concessionárias. Neste contexto, este trabalho possui como objetivo analisar os requisitos técnicos necessários para viabilizar a operação ilhada dos geradores distribuídos. Sabendo que a maioria das cargas presentes em um sistema de distribuição é dependente dos níveis de tensão e frequência da energia de suprimento, a análise e o monitoramento dessas grandezas antes e durante o ilhamento deverão ocorrer de forma que não se perca a estabilidade da rede ilhada. Para isto, devem ser avaliadas alterações nos métodos de operação e controle dos geradores distribuídos, de maneira a atender os requisitos técnicos necessários para manter a tensão e a frequência dentro dos parâmetros de qualidade de energia elétrica. Foram propostos quatro índices de desempenho para avaliar a qualidade da energia elétrica no sistema ilhado. Os resultados obtidos demonstram a necessidade de efetuar ações corretivas eficientes para manter o sistema elétrico ilhado operando dentro dos padrões aceitáveis de qualidade de energia elétrica. Foram investigadas soluções potenciais e viáveis para garantir a operação da ilha estável e com qualidade da energia elétrica. Além disso, observou-se que cargas dependentes da tensão podem influenciar significativamente a capacidade do GD em formar de ilhas estáveis. / If disturbances occur in a power distribution systems in the presence of distributed generators (DGs), a common practice required by utilities is to disconnect such generators, aiming at avoiding a self-sustained energized island. This procedure is required on order to prevent damage to the whole distribution system, mainly the DG, and to the utility maintenance personnel, as well. However, this requirement may decrease the possible contributions of the distributed generation concepts to the quality of the power supply. In this context, this work aims at analyzing the technical requirements related to make DGs islanded operation feasible. Since most of the loads are dependent on the supply voltage and frequency, the analysis and monitoring of such quantities before and after an islanding event should occur in such a way that the stability of the energized island is granted. To reach such a goal, changes in the DG control modes must be assessed, so that the technical requirements necessary to keep voltage and frequency within statutory limits are fulfilled. Four performance indices have been proposed to assess the power quality in the islanded system. The results have shown the need to perform efficient corrective actions to ensure reliable islanded operation. Moreover, it was observed that voltage-dependent loads may influence the DG capability to sustain stable islands.

A conexão de geradores distribuídos nas redes de subtransmissão e de distribuição de energia elétrica se mostra cada vez mais crescente devido aos inúmeros benefícios técnicos e econômicos alcançados com essa tecnologia. No entanto, há importantes implicações técnicas que precisam ser analisadas antes que um gerador distribuído seja conectado em paralelo ao sistema elétrico. Um aspecto a ser analisado, e que é comum entre as concessionárias de energia elétrica é a adequação da proteção anti-ilhamento, a qual tem a função de detectar essa condição e, automaticamente, desconectar os geradores distribuídos, dentro de um tempo pré-determinado, e assim mantê-los até que o fornecimento de energia seja restabelecido. Neste contexto, este trabalho analisará o desempenho dos relés de proteção anti-ilhamento em face de diferentes tipos de cargas que acabam afetando o tempo de detecção do ilhamento. Com isso, pretende-se obter subsídios para que os ajustes desses relés sejam calculados de forma eficiente. Os relés estudados são o relé de sub/sobrefrequência e o relé de taxa de variação da frequência, e o gerador distribuído é do tipo síncrono equipado com controle de tensão. As análises mostraram que no instante em que ocorre um ilhamento os fatores que mais influenciam no desempenho dos relés de proteção anti-ilhamento são as condições de carga e geração, tempo de detecção estabelecido, tipo do relé adotado, ajuste do mesmo e modelo de carga utilizado. / The connection of distributed generators to power subtransmission and distribution networks has been increasing recently due to the technical and economic benefits that such technology can provide. However, there are important technical issues that need to be carefully analyzed before a distributed generator is connected to electrical systems. One issue to be analyzed, which is common sense among utility companies, is the anti-islanding protection, whose main goal is to detect unintentional islanding and, automatically, disconnect the distributed generators within a required time-interval. In this context, this work will analyze the performance of anti-islanding protection relays in face of different load types. With this study, one intend to get support for adjusting these relays efficiently. The relays studied in this work are the under/over frequency and the rate of change of frequency relays, and the distributed generator is a synchronous machine equipped with an automatic voltage regulator. The analyzes showed that the moment a islanding occurs the most important factors influencing the performance of relays anti-islanding protection are the conditions of load and generation, detection time set, type and relay setting adopted and load model.

O ilhamento intencional quando desenvolvido em modo seguro pode ser considerado uma solução viável à promoção da confiabilidade das redes elétricas na presença de geradores distribuídos. Diante disso, esta tese de doutorado propõe metodologias que definem os ajustes das proteções do ponto de acoplamento comum e do gerador para viabilizar tecnicamente o ilhamento intencional, permitindo também avaliar a probabilidade de sucesso deste quando não planejado por um período de operação da rede. As metodologias propostas consideram os relés de deslocamento de fase ou \"salto de vetor\", relés de taxa de variação de frequência e os relés de sub/sobrefrequência convencionais. Estas metodologias baseiam-se na associação direta do tempo de detecção do ilhamento e do tempo de restrição. Estes tempos são oriundos da capacidade de detecção de ilhamento do relé baseado em medidas de frequência do ponto de acoplamento comum e da proteção do gerador. Os resultados foram consistentes e além de determinar a viabilidade técnica do ilhamento intencional de geradores distribuídos, permitiram avaliar a probabilidade de sucesso do ilhamento intencional. Adicionalmente, as metodologias permitiram definir quando possível os ajustes das proteções mais adequados à operação segura da ilha. / The intentional islanding when perfomed in a safe way can be considered a viable solution to the promotion of the reliability of the electrical networks in the presence of distributed generators. In this context, this doctoral thesis proposes methodologies that define the adjustments of the protections of the point of common coupling and the generator to technically enable the intentional islanding and allow to evaluate the probability of successful islanded operation. The proposed methodologies consider the vector surge or \"vector jump relays\", the rate of change of frequency and conventional under/overfrequency relays for islanding detection purposes, and the under/overfrequency relays to protect the generator. These methodologies are based on the direct association of the islanding detection time and the restriction time, and on their relation with the active power imbalance of the island. The detection and restriction times are derived from the islanding detection capability of the previous-mentioned relays, and from the generator protection, respectivelly. The results showed that the methodologies were able to identify favourable conditions for a successful islanded operation, and allowed assessing its probability of occurrence given different conditions of load and generation power imbalance. Additionally, the methodologies allowed to define, when possible, the adjustments of the most adequate protections for the isolated operation of the microgrid.