Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo conceito para a concepÃÃo de conversores para aplicaÃÃes em energias renovÃveis e carregamento de baterias com um nÃmero reduzido de estÃgios de processamento. SÃo desenvolvidas trÃs topologias diferentes de conversores de alto ganho de tensÃo com um Ãnico estÃgio de processamento e capaz de operar tanto com um banco de baterias como com painÃis fotovoltaicos. A operaÃÃo destes conversores permite que as fontes de entradas (painÃis ou baterias) operem de forma natural, independentemente ou complementarmente, compondo um barramento CC e apresentando a comutaÃÃo suave dos interruptores. Por fim, foram desenvolvidos trÃs protÃtipos para uma potÃncia de 500 W que validam o princÃpio de funcionamento dos sistemas propostos apresentando alto rendimento, alto ganho de tensÃo e boa regulaÃÃo do barramento CC em todos os modos de operaÃÃo. / Taking into account the great technological development on renewable energy systems and their applications on power electronics, this work presents a new concept of converters applied to renewable systems and batteries charging with a reduced number of energy processing stages. This work approaches three different high voltage gain converters topologies with only one processing stage, and with bidirectional capability, with batteries, and with photovoltaic panels. The operation of these converters allow that the inputs (PVpanels or batteries), work independently or simultaneously, in order to compose a single DC bus. Also, proposed topologies present natural soft-switching operation. At last, the three prototypes were developed to work with a nominal power of 500W, validating the operation principle of the proposed system, featuring high efficiency, high voltage gain, and good voltage regulation on the DC bus.

Submitted by Biblioteca do Instituto de Física (bif@ndc.uff.br) on 2017-06-09T19:40:00Z No. of bitstreams: 1 DissertacaoMestrado_FabianaMonteiro.pdf: 63170351 bytes, checksum: c19ab17f1c6a5a21e7a5a6ed4744c86e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-09T19:40:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertacaoMestrado_FabianaMonteiro.pdf: 63170351 bytes, checksum: c19ab17f1c6a5a21e7a5a6ed4744c86e (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Durante os últimos 1000 anos ocorreram significativas mudanças climáticas em nosso planeta, que tem sido caracterizada como uma Pequena Idade do Gelo (LIA). Este foi um período de esfriamento global, que ocorreu após o Período Quente Medieval, estendendo-se entre os séculos XIV e XIX, aproximadamente de 1350 a 1850. A compreensão deste fenômeno, relacionado a mudanças globais, possui grande interesse científico. No Hemisfério Norte há vários trabalhos científicos que relacionam os resultados encontrados com a Pequena Idade do Gelo e o Período Quente Medieval, já no Hemisfério Sul esses eventos são incertos devido a escassez de material datado dessa época. Isto tem provocado uma grande controvérsia, uma vez que embora alguns dos poucos trabalhos existentes tenham identificado que o mesmo período de resfriamento também tenha ocorrido na América do Sul, outros autores discordam que esse período frio possa ser aplicado globalmente. Desta forma, ainda há uma questão em aberto, onde trabalhos que exploram a reconstrução de encostas (superfície do mar), vazão de rios e a produtividade biológica sul americanas, podem contribuir na elucidação deste problema. Dentro deste contexto, esta dissertação propôs uma contribuição no estudo da formação de encostas brasileiras, mais especificamente, na enseada do Pântano Sul, Ilha de Santa Catarina, SC, onde testemunhos sedimentares demonstraram uma variação significativa na composição de seus sedimentos, que podem estar associados a eventos de mudanças climáticas significativas. Para tanto, foi utilizada a técnica de AMS (Accelerator Mass Spectrometry), através da datação de radiocarbono de amostras de conchas e sedimentos, oriundas destes testemunhos sedimentares, numa colaboração entre pesquisadores do Instituto de Física e Departamento de Biologia Marinha, ambos da Universidade Federal Fluminense (UFF). Em adição, esta dissertação apresenta um grande destaque como marco tecnológico, pois é o primeiro trabalho aplicando a técnica AMS, desenvolvida integralmente em um país Latino-Americano. Assim, são apresentados os primeiros resultados para a utilização de um acelerador do tipo SSAMS (Single Stage Accelerator Mass Spectrometry System) de 250kV, recém instalado no Instituto de Física da UFF. Desta forma, a técnica de datação 14C-AMS já pode ser totalmente realizada aqui no Brasil e na América Latina. / During the last 1000 years significant climatic changes have occured in our planet, which have been characterized as a Little Ice Age (LIA). This was a period of global coldness, after the Warm Medieval Period, between the XIV and XIX centuries, aproximately from 1350 to 1850. The understandind of such fenomenum, related to global changes, is of great scientifc interest. In the northern hemisphere there are many works relating its results to the Little Ice Age and the Warm Medieval Period. In the southern hemisphere however, these events are not clear due the lack of events. This has lead to controversy since a few works have identifyed the same cold period in South America, others authors disagree that it was a global phenomenum. This way, there is still an open question, where studies that explores coastal reconsctruction (ocean surface), river flow and the biological productivity in South America can contribute to solving the problem. in this sence, this work proposes a contribution to the study of Brazilian coastal formation, more specifically in the Pantano Sul Inlet, Santa Catarina Island, SC, where sediment cores have shown a significant climatic changes. In this study, we used the Accelerator Mass Spectrometry (AMS) thecniche, for the radiocarbon dating of shells and sediment from the collected cores in a collaborative work between researches from the Physics Institute and the department of Marine Biology, both from the Fluminense Federal University. In addition, this work is a technological mark since it is the first results of Single Stage Mass Spectrometry Accelerator System, recently installed in the Physics Institute of UFF. Therefore, the 14C-AMS dating technique can now be throroughly permormed in Brazil and Latin America.

This thesis compares two methods of designing grid-tie inverters. The first design topology is a traditional two stage approach consisting of an isolated DC-DC converter on the input followed by a high switching frequency SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) stage to produce the required low frequency sine wave output. The novel second design approach employs a similar DC-DC input stage capable of being modulated to provide a rectified sine wave output voltage/current waveform. This stage is followed by a simple low frequency switched Unfolding Stage to recreate the required sine wave output. Both of the above designs have advantages and disadvantages depending on operating parameters. The following work will compare the Unfolding Output Stage and the SPWM Output Stage at various power levels and power densities. Input stage topologies are similarly examined in order to determine the best design approach for each output stage under consideration.

The generic concept of quasi-single-stage (QSS) power conversion topology for ac-dc rectification and dc-ac inversion is proposed. The topology is reached by direct cascading and synchronized switching of two variety of buck or two variety of boost switching networks. The family of QSS power converters feature single-stage power processing without a dc-link low-pass filter, a unidirectional pulsating dc-link voltage, soft-switching capability with minimal extra commutation circuitry, simple PWM control, and high efficiency and reliability. A new soft-switched single-phase QSS bi-directional inverter/rectifier (charger) topology is derived based on the QSS power conversion concept. A simple active voltage clamp branch is used to clamp the otherwise high transient voltage on the current-fed ac side, and at the same time, to achieve zero-voltage-switching (ZVS) for the switches in the output side bridge. Seamless four-quadrant operation in the inverter mode, and rectifier operation with unity power factor in the charger (rectifier) mode are realized with the proposed uni-polar center-aligned PWM scheme. Single-stage power conversion, standard half-bridge connection of devices, soft-switching for all the power devices, low conduction loss, simple center-aligned PWM control, and high reliability and efficiency are among its salient features. Experimental results on a 3 kVA bi-directional inverter/rectifier prototype validate the reliable operation of the circuit. Other single-phase and three-phase QSS bi-directional inverters/rectifiers can be easily derived as topological extensions of the basic QSS bi-directional inverter/rectifier. A new QSS isolated three-phase zero-voltage/zero-current-switching (ZVZCS) buck PWM rectifier for high-power off-line applications is also proposed. It consists of a three-phase buck bridge switching under zero current and a phase-shift-controlled full-bridge with ZVZCS, while no intermediate dc-link is involved. Input power and displacement factor control, input current shaping, tight output voltage regulation, high-frequency transformer isolation, and soft-switching for all the power devices are realized in a unified single stage. Because of ZVZCS and single-stage power conversion, it can operate at high switching frequency while maintaining reliable operation and achieving higher efficiency than standard two-stage approaches. A family of isolated ZVZCS buck rectifiers are obtained by incorporating various ZVZCS schemes for full-bridge dc-dc converters into the basic QSS isolated buck rectifier topology. Experimental and simulation results substantiate the reliable operation and high efficiency of selected topologies. The concept of charge control (or instantaneous average current control) of three-phase buck PWM rectifiers is introduced. It controls precisely the average input phase currents to track the input phase voltages by sensing and integrating only the dc rail current, realizes six-step PWM, and features simple implementation, fast dynamic response, excellent noise immunity, and is easy to realize with analog circuitry or to integrate. One particular merit of the scheme is its capability to correct any duty-cycle distortion incurred on only one of the two active duty-cycles which often happens in the soft-switched buck rectifiers, another merit is the smooth transition of the input currents between the 60o sectors. Simulation and preliminary experimental results show that smooth operations and high quality sinusoidal input currents in the full line cycle are achieved with the control scheme. / Ph. D.

A aplicação da digestão anaeróbia aparece como opção para processamento da vinhaça, visto que por meio deste processo é possível aliar a recuperação de energia (hidrogênio e metano) ao enquadramento ambiental deste resíduo sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Nesse sentido, este trabalho avaliou a aplicação da digestão anaeróbia da vinhaça em sistema combinado acidogênico e metanogênico. Inicialmente, avaliou-se a influência de materiais suportes (argila expandida, carvão vegetal, cerâmica porosa e polietileno de baixa densidade) na produção de hidrogênio, em reatores de leito empacotado (APBR) operados em condição mesofílica (25°C) (Etapa 1). De uma forma geral, apenas traços de hidrogênio foram observados nos reatores preenchidos com partículas de carvão vegetal e cerâmica porosa (2 - 7,9 mL-H2.d-1.L-1 reator). Por outro lado, os valores para a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) nos reatores com argila expandida e polietileno de baixa densidade foram dez vezes superior (74,3 - 84,2 mL-H2.d-1.L-1 reator), todavia, estatisticamente iguais. O critério de seleção do material suporte ocorreu com base em relatos na literatura que indicaram rebaixamento do leito e entupimento da saída de reatores APBR preenchidos com argila expandida. Portanto, o polietileno de baixa densidade foi escolhido como melhor opção dentre os suportes avaliados. Não obstante, a baixa relação C/N da vinhaça associada à microaeração do sistema (presença de microrganismos anóxicos) afetou severamente os reatores APBR com diferentes materiais suportes, levando-os à falência. Na segunda etapa, adotou-se a operação dos APBR preenchidos com polietileno de baixa densidade, em condição termofílica (55°C) a fim de diminuir o rendimento da biomassa acidogênica e a solubilidade do oxigênio. Adicionalmente, foi avaliada influência da Carga Orgânica Volumétrica aplicada (COVa - 36,4 - 108,6 kg- DQO.m-3.d-1), por meio da variação do Tempo de Detenção Hidráulica (TDH - 8 - 24 h). Produção contínua de hidrogênio foi observada em todos os reatores operados em condição termofílica (Etapa 2). Nessa etapa, estabeleceu-se a condição ótima de operação com COVa de 84,2 kg-DQO.m-3.d-1 e TDH de 10 h, resultando em PVH de valor 575,3 mL-H2.d-1.L-1 reator e rendimento de hidrogênio (Y1H2) de 1,4 mol-H2.mol-1 carboidratos totais. Na Etapa III, essas condições foram impostas na operação do APBR, resultando em aumento de 18,2% e 14,2% nos valores de PVH e Y1H2, respectivamente, em relação aos dados obtidos na Etapa II. Em paralelo, foram operados dois reatores metanogênicos do tipo manta de lodo (UASB), compondo um sistema único (UASB) e um sistema combinado (APBR/UASB). A produção de energia no sistema combinado foi 25,7% superior ao observado no sistema único. A eficiência de remoção da matéria orgânica total e solúvel aumentou de 60,7 ± 0,3% e 72,6% ± 1,2% no sistema único e 74,6 ± 0,3% e 96,1 ± 1,7% no sistema combinado, respectivamente, sob COVa de 25 kg-DQO.m-3.d-1 (calculada para os sistemas metanogênicos). / Anaerobic digestion application appears as an option for sugar cane vinasse processing, since via this process it is possible to combine the energy recovery (hydrogen and methane) to the environmental framework of this residue without interfering in their qualities as biofertilizer. In this sense, this study evaluated the application of anaerobic digestion of vinasse in two-stage system (acidogenic and methanogenic). Initially, it was evaluated the influence of support material (expanded clay, charcoal, porous ceramics, and low-density polyethylene) on hydrogen production in acidogenic packed bed reactors (APBR) operated under mesophilic condition (25°C) (Phase 1). In general, only traces of hydrogen were observed in APBR filled with charcoal and porous ceramics particles (2 - 7.9 mL-H2.d-1.L-1 reactor). On the other hand, in APBR with expanded clay and low-density polyethylene as support, the values for volumetric hydrogen production (VHP) were ten times higher (74.3 - 84.2 mL-H2.d-1.L-1 reactor), however, statistically equal. The selection criteria of support material was based on reports in the literature that indicated bed lowering and clogging in APBR outlet with expanded clay as support. Therefore, the low-density polyethylene was chosen as the best support among those evaluated. Nevertheless, the low C/N ratio of vinasse associated to microaeration condition in the systems (presence of microorganisms anoxic) severely affected the APBR with different support materials, leading them to bankruptcy. In the second phase, it was adopted the operation of APBR filled with low density polyethylene in thermophilic conditions (55°C) in order to reduce the acidogenic biomass yield and oxygen solubility. Moreover, it was evaluated the influence of organic loading rate (OLR - 36.4 to 108.6 kg-COD.m-3.d-1) by hydraulic retention time varying (HRT - 8 - 24 h). Continuous hydrogen production was observed in all reactors operated at 55°C (Phase 2). In this phase, it was established the optimum condition of operation, OLR of 84.2 kg-COD.m-3.d-1 and HRT of 10 h, resulting in values for PVH and hydrogen yield (Y1H2) of 575.3 mL-H2.d-1.L-1 reactor and 1.4 mol-H2.mol-1 total carbohydrates, respectively. In Phase III, these conditions were imposed on the operation of the APBR, resulting in an increase of 18.2% and 14.2% in the values of PVH and Y1H2, respectively, compared to the data obtained in Phase II. In parallel, two methanogenic reactors were operated (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket UASB type), which composed a single stage system (UASB) and a two-stage system (APBR/UASB). The energy production in the two-stage system was 25.7% higher compared to the single stage system. The values for total and soluble organic matter removal were 60.7 ± 0.3% and 72.6 ± 1.2% to single stage system and 74.6 ± 0.3% and 96.1 ± 1.7% to two-stage system, respectively, at OLR of 25 kg-COD.m-3.d-1 (calculated for the methanogenic reactors).

Este trabalho propõe novas topologias de circuitos e técnicas de projeto para filtros ativos e amplificadores de ganho programável (PGA) com operação em ultra baixa tensão (ULV) e ultra-baixa potência (ULP). Os receptores de RF do tipo Bluetooth de baixa energia (BLE), utilizados nos circuitos de internet das coisas (IoT), são as aplicações alvo dos circuitos propostos neste trabalho. Na faixa de ULV são utilizados filtros do tipo RC-ativo, uma vez que possuem uma maior linearidade em relação aos filtros do tipo gmC. A operação em ULP é alcançada neste trabalho utilizando uma nova topologia de amplificador operacional de transcondutância (OTA), com único estágio, que apresenta uma alta eficiência e reduzida sensibilidade às variações de processo, tensão e temperatura (PVT). O baixo ganho de tensão do amplificador de estágio único e os efeitos das cargas resistivas de realimentação são compensados usando um transcondutor negativo, robusto a variações em PVT, conectado às entradas do OTA. A faixa dinâmica dos circuitos é elevada usando topologias totalmente diferenciais e as taxas de rejeição de modo comum e de fonte de alimentação são melhoradas utilizando circuitos de realimentação de modo-comum. Para possibilitar a operação na faixa de ULV todos os circuitos usam apenas dois transistores empilhados e o nível de inversão do canal é elevado através da polarização direta do substrato. Neste trabalho são propostas também uma ferramenta de análise do ponto de operação do transistor, baseando-se na simulação elétrica, e algumas metodologias de projetos para circuitos operando em ULV. Os circuitos e metodologias desenvolvidos foram utilizados para o projeto de um filtro passa-faixa complexo RC-ativo de terceira ordem, um amplificador de ganho programável e um filtro biquadrático do tipo Tow-Thomas com ganho programável, compatíveis com receptores de RF do padrão BLE. Para a implementação do PGA, uma nova topologia de transconductor negativo programável foi desenvolvida para permitir a compensação ótima do amplificador operacional em todos os modos de ganho. Todos os circuitos foram projetados para operar com uma tensão de alimentação de 0,4 V e foram prototipados em processos de fabricação CMOS e BiCMOS de 180 nm e 130 nm, respectivamente. Os resultados experimentais e de simulação pós-layout demonstram uma operação adequada em 0,4 V, uma ultra-baixa dissipação de potência, atingindo o mínimo de 10.9 ?W/polo, e a melhor figura-de-mérito (FoM) em relação aos outros filtros ativos e amplificadores disponíveis na literatura. / This thesis proposes novel circuit topologies and design techniques of ultra-low voltage (ULV) and ultra-low power (ULP) active-filters and programmable gain amplifiers (PGA) suitable for the Bluetooth low energy (BLE) RF receivers used in the Internet of Things (IoT) applications. The active-RC filters are preferred to the gm-C topologies at the ULV operation due to its improved linearity. However, the closed-loop operation increases the operational amplifier required voltage gain and its capacity to drive the resistive feedback load. In this work, the ULP dissipation is obtained by proposing a very efficient single-stage inverter-based operational transconductance amplifier (OTA) and a proper forward bulk biasing to reduce the sensitivity to process, voltage and temperature (PVT) variations. The low voltage gain and the resistive load effects on the single-stage OTA are completely compensated by using a PVT robust negative transconductor connected at the OTA inputs. The dynamic range is increased by using fully-differential topologies and common-mode feedback to improve the common-mode and power supply rejection rates. The operation at the ULV range is reached by using only two-stacked transistors in all the circuit implementations and bulk forward bias in some transistors to reduce the threshold voltage and to increase the channel inversion level. An operation point simulation-based tool and some design methodologies are also proposed in this work to design the ULV circuits. The proposed circuits were used to design a third-order active-RC complex band-pass filter (CxBPF), a programmable gain amplifier (PGA) and a Tow-Thomas biquad, with integrated programmable gain capability, suitable for BLE RF receivers. The PGA implementation uses a new programmable input negative transconductor to obtain the optimal closed-loop amplifier compensation in all the gain modes. The circuits were designed to operate at the power supply voltage of 0.4 V and are prototyped in 180 nm and 130 nm low-cost CMOS and BiCMOS process, respectively. The experimental and post-layout simulation results have demonstrated the proper ULV operation at 0.4 V, the ultra-low power dissipation down to 10.9 ?W/pole and the best figure-of-merit (FoM) among the state-of-the-art active-filters and amplifiers from the literature.

A aplicação da digestão anaeróbia aparece como opção para processamento da vinhaça, visto que por meio deste processo é possível aliar a recuperação de energia (hidrogênio e metano) ao enquadramento ambiental deste resíduo sem interferir em suas qualidades como biofertilizante. Nesse sentido, este trabalho avaliou a aplicação da digestão anaeróbia da vinhaça em sistema combinado acidogênico e metanogênico. Inicialmente, avaliou-se a influência de materiais suportes (argila expandida, carvão vegetal, cerâmica porosa e polietileno de baixa densidade) na produção de hidrogênio, em reatores de leito empacotado (APBR) operados em condição mesofílica (25°C) (Etapa 1). De uma forma geral, apenas traços de hidrogênio foram observados nos reatores preenchidos com partículas de carvão vegetal e cerâmica porosa (2 - 7,9 mL-H2.d-1.L-1 reator). Por outro lado, os valores para a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) nos reatores com argila expandida e polietileno de baixa densidade foram dez vezes superior (74,3 - 84,2 mL-H2.d-1.L-1 reator), todavia, estatisticamente iguais. O critério de seleção do material suporte ocorreu com base em relatos na literatura que indicaram rebaixamento do leito e entupimento da saída de reatores APBR preenchidos com argila expandida. Portanto, o polietileno de baixa densidade foi escolhido como melhor opção dentre os suportes avaliados. Não obstante, a baixa relação C/N da vinhaça associada à microaeração do sistema (presença de microrganismos anóxicos) afetou severamente os reatores APBR com diferentes materiais suportes, levando-os à falência. Na segunda etapa, adotou-se a operação dos APBR preenchidos com polietileno de baixa densidade, em condição termofílica (55°C) a fim de diminuir o rendimento da biomassa acidogênica e a solubilidade do oxigênio. Adicionalmente, foi avaliada influência da Carga Orgânica Volumétrica aplicada (COVa - 36,4 - 108,6 kg- DQO.m-3.d-1), por meio da variação do Tempo de Detenção Hidráulica (TDH - 8 - 24 h). Produção contínua de hidrogênio foi observada em todos os reatores operados em condição termofílica (Etapa 2). Nessa etapa, estabeleceu-se a condição ótima de operação com COVa de 84,2 kg-DQO.m-3.d-1 e TDH de 10 h, resultando em PVH de valor 575,3 mL-H2.d-1.L-1 reator e rendimento de hidrogênio (Y1H2) de 1,4 mol-H2.mol-1 carboidratos totais. Na Etapa III, essas condições foram impostas na operação do APBR, resultando em aumento de 18,2% e 14,2% nos valores de PVH e Y1H2, respectivamente, em relação aos dados obtidos na Etapa II. Em paralelo, foram operados dois reatores metanogênicos do tipo manta de lodo (UASB), compondo um sistema único (UASB) e um sistema combinado (APBR/UASB). A produção de energia no sistema combinado foi 25,7% superior ao observado no sistema único. A eficiência de remoção da matéria orgânica total e solúvel aumentou de 60,7 ± 0,3% e 72,6% ± 1,2% no sistema único e 74,6 ± 0,3% e 96,1 ± 1,7% no sistema combinado, respectivamente, sob COVa de 25 kg-DQO.m-3.d-1 (calculada para os sistemas metanogênicos). / Anaerobic digestion application appears as an option for sugar cane vinasse processing, since via this process it is possible to combine the energy recovery (hydrogen and methane) to the environmental framework of this residue without interfering in their qualities as biofertilizer. In this sense, this study evaluated the application of anaerobic digestion of vinasse in two-stage system (acidogenic and methanogenic). Initially, it was evaluated the influence of support material (expanded clay, charcoal, porous ceramics, and low-density polyethylene) on hydrogen production in acidogenic packed bed reactors (APBR) operated under mesophilic condition (25°C) (Phase 1). In general, only traces of hydrogen were observed in APBR filled with charcoal and porous ceramics particles (2 - 7.9 mL-H2.d-1.L-1 reactor). On the other hand, in APBR with expanded clay and low-density polyethylene as support, the values for volumetric hydrogen production (VHP) were ten times higher (74.3 - 84.2 mL-H2.d-1.L-1 reactor), however, statistically equal. The selection criteria of support material was based on reports in the literature that indicated bed lowering and clogging in APBR outlet with expanded clay as support. Therefore, the low-density polyethylene was chosen as the best support among those evaluated. Nevertheless, the low C/N ratio of vinasse associated to microaeration condition in the systems (presence of microorganisms anoxic) severely affected the APBR with different support materials, leading them to bankruptcy. In the second phase, it was adopted the operation of APBR filled with low density polyethylene in thermophilic conditions (55°C) in order to reduce the acidogenic biomass yield and oxygen solubility. Moreover, it was evaluated the influence of organic loading rate (OLR - 36.4 to 108.6 kg-COD.m-3.d-1) by hydraulic retention time varying (HRT - 8 - 24 h). Continuous hydrogen production was observed in all reactors operated at 55°C (Phase 2). In this phase, it was established the optimum condition of operation, OLR of 84.2 kg-COD.m-3.d-1 and HRT of 10 h, resulting in values for PVH and hydrogen yield (Y1H2) of 575.3 mL-H2.d-1.L-1 reactor and 1.4 mol-H2.mol-1 total carbohydrates, respectively. In Phase III, these conditions were imposed on the operation of the APBR, resulting in an increase of 18.2% and 14.2% in the values of PVH and Y1H2, respectively, compared to the data obtained in Phase II. In parallel, two methanogenic reactors were operated (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket UASB type), which composed a single stage system (UASB) and a two-stage system (APBR/UASB). The energy production in the two-stage system was 25.7% higher compared to the single stage system. The values for total and soluble organic matter removal were 60.7 ± 0.3% and 72.6 ± 1.2% to single stage system and 74.6 ± 0.3% and 96.1 ± 1.7% to two-stage system, respectively, at OLR of 25 kg-COD.m-3.d-1 (calculated for the methanogenic reactors).

In this dissertation, two high-frequency (HF) transformer isolated single-stage integrated ac-dc converters are proposed for a small scale permanent magnet synchronous generator (PMSG) based wind energy conversion system (WECS). These two types of single-stage integrated ac-dc converters include expected functions of HF isolation, power factor correction (PFC), and output regulation in one single-stage. Fixed-frequency phase-shift control and soft-switching operation are employed in both proposed ac-dc converters. After reviewing the literature and discussing pros and cons of the existing topologies, it is preferred that three identical single-phase single-stage integrated converters with interleaved connection configuration are suitable for the PMSG. For the single-phase converter, two new HF isolated single-stage integrated resonant ac-dc converters with fixed-frequency phase-shift control are proposed. The first proposed circuit is HF isolated single-stage integrated secondary-side controlled ac-dc converter. The other proposed circuit is HF isolated single-stage dual-tank LCL-type series resonant ac-dc converter, which brings better solutions compared to the first converter, such as high power factor and low total harmonic distortion (THD) at the ac input side. Approximate analysis approach and Fourier series methods are used to analyze these two proposed converters. Design examples for each one are given and designed converters are simulated using PSIM simulation package. Two experimental circuits are also built to verify the analysis and simulation. The simulated and experimental results reasonably match the theoretical analysis. Then the proposed HF isolated dual-tank LCL-type series resonant ac-dc converter is used for three-phase interleaved connection in order to satisfy requirements of PMSG based WECS. A design example for this three-phase interleaved configuration is given and simulated for validation under several operating conditions. / Graduate / 0544 / duyimian@uvic.ca

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-09-11Bitstream added on 2014-06-13T20:09:51Z : No. of bitstreams: 1 santelo_tn_me_ilha.pdf: 2212208 bytes, checksum: a764ab5d18d16ce24639a45f6f1553bd (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta um novo conversor PWM monofásico CA-CC, com um único estágio de retificação e correção do fator de potência, utilizando a célula de comutação de três estados. É demonstrado o conversor proposto empregando duas destas células, em substituição as configurações convencionais de duplo estágio, um estágio retificador e outro pré-regulador. A célula de comutação de três estados é composta basicamente por dois interruptores ativos, dois passivos e dois indutores acoplados magneticamente. A topologia desta célula permite que apenas metade da potência de entrada seja processada pelos interruptores ativos, reduzindo assim a corrente de pico sobre estes à metade do valor da corrente de pico da entrada, tornando importante para aplicações em potências mais elevadas. O volume dos elementos reativos (indutores e capacitores) é reduzido, pois, por características topológicas, a freqüência da ondulação da corrente e da tensão é o dobro da freqüência de operação dos interruptores, sendo assim, possível operar o conversor com menores freqüências, diminuindo consequentemente as perdas na comutação. As perdas totais são distribuídas entre todos semicondutores, facilitando a dissipação de calor. O paralelismo dos interruptores é muito atraente para a configuração do circuito estudado, possibilitando o uso de interruptores mais baratos. Outra vantagem é possuir uma menor faixa de operação na região de descontinuidade, ou seja, a faixa de operação no modo de condução contínua é ampliada. É realizado um estudo do conversor boost CC-CC operando com razão cíclica (0 < D < 0,5) e (0,5 < D < 1). Em seguida este conversor é empregado, operando em toda faixa de variação da razão cíclica (0 LÜD LÜ1), no conversor CA-CC de estágio único. O circuito do conversor em questão funciona em malha fechada utilizando o circuito integrado UC3854 para... / This work presents a new AC-to-DC PWM single-phase converter, with only one stage including rectification and power factor correction, using the three-state switching cell. It is demonstrated the proposed converter using two of these cells, instead of the conventional configurations that use a rectifier stage and a high-frequency pre-regulator. The three-state switching cell comprises two active switches, two diodes and two coupled inductors. In this topology only part of the input energy is processed by the active switches, reducing the peak current in these switches in a half of the peak value of the input current, making this topology suitable to the operation in larger power levels. The volume of the power reactive elements (inductors and capacitors) is also decreased since the ripple frequency on the output is twice the switching frequency. For a smaller operating frequency, the switching losses are decreased. Due to the topology of the converter, the total losses are distributed among all semiconductors, facilitating the heat dissipation. The parallelism of switches is very attractive for the studied configuration, facilitating the use of cheaper switches. Another advantage of this converter is the smaller region to operate in discontinuous conduction mode or, in other words, the operation range in continuous conduction mode is enlarged. It is developed a study of the DC-to-DC boost converter operating with duty (0 < D < 0,5) and (0,5 < D < 1). Then, this converter was used in full variation range of the duty-cycle (0 < D < 1) in the AC-to-DC single-stage converter. The circuit of this issue converter works with a feedback control line using the integrated circuit UC3854 to do the control in continuous conduction mode for input current with instantaneous average mode. Besides the mathematical analysis and development through...

A pesquisa desenvolve o projeto e a implementaÃÃo de um microinversor monofÃsico de estÃgio Ãnico obtido da derivaÃÃo de quatro conversores flybacks CC-CC operando no modo descontÃnuo e associado em mÃdulos paralelos. Este arranjo reduz o volume dos magnÃticos, diminui os esforÃos de correntes nos primÃrios dos transformadores, bem como minimiza as oscilaÃÃes no mÃdulo fotovoltaico. Em meio as principais propriedades do microinversor flyback (MIF) desta pesquisa, as chaves dos primÃrios atuam com comutaÃÃo SPWM em alta frequÃncia e defasadas em cento e oitenta graus, enquanto as chaves dos secundÃrios sÃo comandadas por PWMâs complementares. Para validar a pesquisa serà desenvolvido um protÃtipo que efetuarà o processamento de energia interligando um painel fotovoltaico com 200 W de potÃncia, em cargas resistivas com caracterÃsticas senoidais. O sistema proposto està fundamentado na configuraÃÃo mÃdulo inversor integrado (MIC), que por sua vez, possui menores perdas nos semicondutores e elementos magnÃticos da topologia, quando comparado aos complexos sistemas fotovoltaicos centralizados. Dentre as aplicaÃÃes do microinversor flyback encontram-se: abastecimento de sistemas remotos, alimentaÃÃo de aparelhos eletroeletrÃnicos, pequenas estaÃÃes de bombeamentos de Ãgua, conexÃes a rede elÃtrica, entre outros. Apesar da baixa potÃncia, o microinversor apresenta caracterÃsticas elÃtricas essenciais a inserÃÃo na matriz energÃtica, tais como: isolaÃÃo entre a fonte e a carga, formas de ondas de tensÃes e correntes na saÃda com pequenas distorÃÃes e na frequÃncia da rede. Os resultados obtidos em laboratÃrio revelam que o microinversor flyback operando em malha aberta obtÃm rendimentos prÃximos a 90%, sendo entregue à carga cerca de 180 W. Sendo assim, a facilidade na construÃÃo, a utilizaÃÃo de poucos componentes e os resultados coletados experimentalmente habilitam o microinversor flyback a realizar a conversÃo CC-CA de sistemas fotovoltaicos de pequenas potÃncias conectados em cargas lineares monofÃsicas com caracterÃsticas senoidais ou interligados à rede elÃtrica. / The study proposes the design and implementation of a single phase inverter of single stage obtained the derivation of four flybacks converters CC - CC operating in discontinuous mode and associated in parallel modules. This arrangement reduces the amount of magnetic and decreases current efforts in primary transformers and minimizes fluctuations i n photovoltaic module. Among the main properties of micro inverter flyback (MIF) this research, the primary keys work with SPWM switching at high frequency and lagged in one hundred and eighty degrees, while the secondary keys are controlled by PWM's compl ementary. To validate the research, we will develop a prototype that will effect the processing power connecting a photovoltaic panel with 200W power in resistive loads with senoidais characteristics. The proposed system is based on the configuration of th e integrated module drive (MIC), which, in turn, has lower losses in the semi - conductors and magnetic elements of the topology, when compared to complex centralized photovoltaic systems. Among the applications of micro inverter flyback are: supply of remote systems, power electronics devices, small water pumping stations, connections to the grid, among others. Despite the low power, micro inverter has electrical characteristics essential for the insertion in the energy matrix, such as: insulation betwe en the source and the load, types of voltages and currents waves in output with little distortion and frequency of the network. The results obtained in the laboratory show that the micro inverter flyback operating in open loop gets yields close to 90% bein g delivered to the load about 180W. Thus, the ease of construction, the use of fewer components and results collected experimentally enable the micro inverter flyback to perform the CC - CA conversion of photovoltaic systems of small powers connected in sing le - phase linear loads with senoidais characteristics or interconnected to the electric grid