Orientador: Prof. Dr. Thales Sousa / The world has been searching different sorts of technology to mitigate any energetic crises in function in a growing demand of energy, resulting by generation of pollutants from the actual energy source uses. Developments of new technology application as electric transport with rechargeable cell are actually trends to mitigate these problems, cooperating to reduce energetic and environmental issues. In order, the present work proposes a two electric vehicles study, emphasizing the different classification of each other, depending on how electric and combustion energies are integrated. Different promising technological trend are presented to enhance the driving autonomy from the vehicles as the different ways to storage of energy and fuel feeding methods. Otherwise, the impacts on distribution network, environmental impacts and economic impacts are defined. Ultimately, it¿s made analysis bidirectional battery charger to an electric vehicle, considering every charger module in coupled manner, as the practice must be provided. The charger is made-up by a CA/CC Full-bridge bidirectional converter with power factor controller PFC, and CA/CC Full-bridge bidirectional converter isolation properties. These converters work altogether, providing from the energy distribution network to charge a battery cell and providing energy from the battery cell to the energy distribution network. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2014. / O mundo vem buscando diferentes tecnologias que mitiguem a possibilidade de uma crise energética, em função de uma demanda crescente de energia e uma crise ambiental, resultante das emissões de poluentes advinda das fontes de energia atualmente utilizadas. O desenvolvimento de novas tecnologias, como por exemplo, os meios de transporte elétricos recarregáveis, contribuem para que esses problemas sejam mitigados, colaborando para a minimização dos problemas energéticos e ambientais. Nesse sentido, o presente trabalho propõe o estudo dos veículos elétricos, enfatizando as diferentes classificações dos mesmos, dependendo de como a energia elétrica e a energia de combustão são integradas. São apresentadas também, as tecnologias de geração de energia mais promissoras para o aumento de autonomia de condução, bem como as formas de armazenamento da energia e como os veículos elétricos são alimentados. Adicionalmente, são indicados os impactos dos veículos elétricos na rede de distribuição, os impactos ao ambiente e os impactos econômicos. Por último, é feita uma análise de um carregador de baterias bidirecional para um veículo elétrico, considerando todos os módulos do carregador de maneira acoplada, conforme deve ser previsto na pratica. O carregador esta composto por um conversor bidirecional CA/CC Full-Bridge com propriedades de correção de fator de potência e, um conversor bidirecional CC/CC Full-Bridge isolado. Estes conversores trabalham em conjunto fornecendo da rede de distribuição energia para carregar um banco de baterias e entregando energia das baterias à rede de distribuição.

Dissertation présentée pour obtenir le grade de Docteur es Génie Électrique à l'Institut National Polytechnique de Toulouse et Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Orientador: Prof. Dr. Marat Rafikov / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016.

Submitted by FABRICIO MARQUI SANCHES null (fabriciosmf@yahoo.com.br) on 2016-01-05T12:05:05Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO-Fabricio_Marqui_Sanches.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-01-06T17:34:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-06T17:34:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) Previous issue date: 2015-12-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é investigada a viabilidade energética do emprego de buzzers piezelétricos, circuito retificador de onda completa e conversor DC-DC elevador em um sistemas de power harvesting submetido a esforços mecânicos causados pelo tráfego de veículos e/ou caminhar de pedestres, demonstrando a possibilidade de reutilização dessa energia no carregamento de baterias para alimentação de circuitos autônomos de monitoramento, indicação, iluminação, etc., em locais remotos, eliminando ou estendendo os intervalos necessário entre as recargas desses dispositivos. O gerador piezelétrico é analisado mediante a excitação realizada por um cilindro pneumático simulador de impactos controlado eletronicamente com frequência de 0,5 Hz e 1 Hz, contendo diferentes quantidades de PZTs (2, 4 e 8) e configuração de ligação (série ou paralelo). Os resultados extraídos são referentes à tensão elétrica, corrente, potência e energia armazenada em função do tempo, sendo ainda feitas relações dessas grandezas com diferentes números de PZTs, área que ocupam, força e pressão aplicada sobre os mesmos. Ao final pode-se concluir a viabilidade da utilização de dispositivos simples em sistemas de power harvesting para geração de energia através de excitações na forma pulsada e em baixas frequências, sendo os maiores valores na saída do circuito em termos de potência e corrente para tensão de 5 volts, 108 µW e 21,5 µA (0,53 Kg e 0,83 N/cm2), bem como 118,8 µW e 23,6 µA para (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtidos com 8 PZTs, conectados em paralelo e excitados a 1 Hz. / This paper investigated the energy viability of the use of piezoelectric buzzers, rectifier circuit full-wave and DC-DC-converter in a power harvesting systems subjected to mechanical stress caused by the traffic of vehicles and / or walk for pedestrians, demonstrating the possibility of re-use of energy in charging batteries to power autonomous monitoring circuits, display, illumination, etc., in remote locations, eliminating or extending the intervals needed between charges these devices. The piezoelectric generator is analyzed through excitation carried out by a pneumatic cylinder simulator electronically controlled impacts with a frequency of 0.5 Hz and 1 Hz, containing different amounts of PZTs (2, 4, 8) and connection configuration (parallel or serial) . The extracted results are related to the voltage, current, power and energy stored in function of time, still being made relations of these quantities for the number of PZTs, area they occupy, force and pressure applied on them. At the end we can conclude the feasibility of using simple devices in power harvesting systems to generate energy through excitations in pulsed manner and at low frequencies, with higher values in the circuit output in terms of power and current to voltage 5 volts, 108 µW and 21,5 µA (0,53 Kg and 0,83 N/cm2), just like 118,8 µW and 23,6 µA to (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtained with 8 PZTs, connected in parallel and excited to 1 Hz.

The increasing complexity of digital circuits forces the use of new technologies. New technologies have the advantage of reducing the circuit size and power consumption coupled with operation speed increasement. Most of signal processing operations migrated to the digital domain, thus, basic blocks like AD converters are needed in mixed-signal systems. Analog-todigital converters based on Sigma-Delta (ΣΔ) modulators stand out among the existing architectures because they cover a wide range of applications. The most common implementation of ΣΔ modulators in CMOS technology is based in switched-capacitor technique (SC), mainly due to its high performance and excellent linearity. However, the continuous reduction in the transistor physical dimensions requires a proportional reduction in the supply voltage levels, making difficult the design of analog circuits with conventional topologies. To overcome this problem, design techniques to analog circuits compatible with these new technologies were developed. This is the case of the technique known as switched-current (SI), which uses samples in the current domain to represent the signal information. This work presents the design of a switched-current Sigma-Delta modulator (SI-ΣΔM) using an architecture oriented to low-distortion applications. The architecture s main characteristic is the reduced sensitivity to integrator nonlinearities, leading to a significant increase in the signal-to-noise ratio (SNR) and dynamic range (DR) values, moreover, it permits the design of high-order modulators intrinsically stable. To demonstrate and verify the performance of the used strategy, based on a combination of circuit techniques and topology, a cascade 2-2 SI-ΣΔM was designed in a CMOS XFAB XC06 technology. Postlayout simulations show that the SNR reaches a maximum value of 80 dB and a dynamic range of approximately 87 dB, implying an effective resolution of 14.15 bits considering 20 kHz bandwidth. The prototype was sent to manufacturing and will be subject to laboratory tests when it returns. / A crescente complexidade dos circuitos digitais força o uso de novas tecnologias de fabricação. A mudança para tecnologias mais avançadas tem como vantagem a redução do tamanho do circuito e a diminuição do consumo de energia aliados ao aumento da velocidade de operação. Grande parte das operações envolvendo processamento de sinais migraram para o domínio digital, portanto, blocos básicos como conversores AD são necessários em sistemas de sinal misto. Conversores AD com base em moduladores do tipo Sigma-Delta (ΣΔ) destacam-se entre as arquiteturas existentes por cobrir uma ampla gama de aplicações. A implementação mais usual de moduladores ΣΔ em tecnologia CMOS baseia-se na técnica de capacitor-chaveado (SC), devido, principalmente, à sua elevada performance e excelente linearidade. Entretanto, a contínua redução das dimensões físicas dos transistores tem exigido uma redução proporcional dos níveis de tensão de alimentação, dificultando o projeto de circuitos analógicos com topologias convencionais. Para contornar este problema, técnicas de projeto de circuitos analógicos compatíveis com essas novas tecnologias foram desenvolvidas. Este é o caso da técnica conhecida como corrente chaveada (SI), que utiliza amostras sob a forma de corrente para a representação de sinais. Neste trabalho é apresentado o projeto de um modulador ΣΔ em modo corrente (SI-ΣΔM) empregando uma arquitetura orientada à aplicações de baixa distorção. Esta arquitetura tem como principal característica a reduzida sensibilidade às não-linearidades do integrador, conduzindo a uma significante melhora no valor da relação sinal-ruído (SNR) e faixa de excursão dinâmica (DR), além de permitir a concepção de moduladores ΣΔ de elevada ordem intrinsecamente estáveis. Para demonstrar e comprovar a performance da estratégia empregada, baseada na combinação de técnicas de circuito e de topologia, projetou-se um modulador SI-ΣΔ cascata 2-2 na tecnologia XFAB CMOS XC06. Simulações elétricas pós-layout revelam que o SNR atinge um valor máximo de 80 dB e uma faixa dinâmica de aproximadamente 87 dB, inferindo uma resolução efetiva de 14,15 bits considerando uma banda de interesse de 20 kHz. Por fim, o protótipo desenvolvido foi enviado para fabricação e será alvo de testes em laboratório quando retornar.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The induction generator has characteristics making it interesting for alternative sources of energy, such as low cost, ruggedness, low maintenance, high availability and good dynamic behavior. So, it is very much applied in alternative energy systems, where low cost, low maintenance and easy availability are essential characteristics. Although this generator is very attractive, its operation presents problems related to a poor voltage regulation, load dependent variable frequency, and the need of large size self-excitation capacitors, for standalone induction generator systems. In order to minimize these problems, this study proposes a sparse matrix converter associated to an induction generator as a way to regulate the generated voltage, fix the frequency and increase the system reliability. Moreover, it allows the reduction of the self-excitation capacitors by draining out of the generator, mostly resistive current thus, reducing capacitor costs and of the whole system size. In this dissertation is presented some simulation and practical results of a sparse matrix converter connected to the induction generator prototype developed in CEEMA laboratories. These results confirm the here presented theory and validate this work. / O Gerador de Indução é atrativo para geração de energia elétrica com fontes alternativas por apresentar baixo custo, robustez, baixo índice de manutenção, grande disponibilidade e bom comportamento dinâmico. Por isso, ele é muito aplicado em sistemas alternativos de geração de energia onde o baixo custo, baixo índice de manutenção, disponibilidade e facilidade de substituição do gerador, são características bastante apreciadas. Particularmente, no caso dos geradores de indução auto-excitados por bancos de capacitores, apesar de também eles serem atrativos, sua operação isolada apresenta problemas relacionados à regulação de tensão insatisfatória e freqüência variável dependentes da carga, e pela necessidade de capacitores de auto-excitação de tamanho e custo elevados. Os custos elevados dos bancos de capacitores ainda limitam o uso isolado do gerador de indução a pequenas unidades apenas, com potência inferior à 50kW. Esta dissertação propõe o uso do Conversor Matricial Esparso como forma de regular a tensão no gerador de indução e fixar a freqüência na carga. Além disso, o uso deste conversor possibilita drenar uma corrente do gerador em fase com sua respectiva tensão, reduzindo assim o custo dos capacitores e do sistema como um todo. São apresentados resultados de simulação e resultados práticos de um protótipo do conversor matricial esparso, desenvolvido nos laboratórios do CEEMA-UFSM para conexão ao gerador de indução. Estes resultados servem de base para a comprovação e validação da teoria desenvolvida para a integração do gerador de indução auto-excitado e do conversor matricial esparso apresentada nesta dissertação.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis performs the analysis and design of an AC-DC converter with high voltage gain to be used to supply a magnetron in a microwave generation system. The converter topology is chosen so as to enable input power control, operation with high power factor and with possibility of wide variation in the effective voltage input, so that the converter operates in the universal 100-240 V effective voltage range. The topology consists of a controlled type half-bridge rectifier at the entrance, responsible for the current control and diferencial voltage balance on the DC link capacitors and an isolated DC-DC half-bridge converter with high voltage gain, which operates with a fixed duty cycle. The design of passive and active elements of AC-DC converter are presented and the discrete control to implement a prototype that operates with input power up to 800 W is performed. The controllers are implemented in a low-cost 32-bit and fixed point arithmetic microcontroller. Experimental results to validate the designed controllers are obtained for various power reference values, evaluating the converter for practically all operational range. / A presente dissertação de mestrado realiza a análise e o projeto de um conversor CA-CC de elevado ganho de tensão para ser utilizado na alimentação de um magnetron em um sistema de geração de micro-ondas. A topologia do conversor é escolhida de forma a possibilitar o controle da potência de entrada, operação com elevado fator de potência e com possibilidade de grande variação na tensão eficaz da entrada, de forma que o conversor opere na faixa de tensão universal eficaz de 100 a 240 V. A topologia é composta por um retificador meia-ponte na entrada, responsável pelo controle de corrente e equilíbrio das tensões no barramento CC, e por um conversor CC-CC meia ponte isolado na saída com elevado ganho de tensão, que opera com razão cíclica fixa. O projeto dos elementos passivos e ativos do conversor CA-CC são apresentados e o controle discreto para implementação de um protótipo que opera com potência de entrada de até 800 W é realizado. Os controladores são implementados em um microcontrolador de baixo custo de 32 bits e operação aritmética de ponto fixo. Resultados experimentais para validação dos controladores projetados são obtidos, para vários valores de referência de potência, avaliando o conversor para praticamente toda sua faixa de operação.

A presente tese busca desenvolver uma metodologia para o gerenciamento e controle de uma geração distribuída que utiliza como fonte principal células a combustível do tipo PEM (Proton Exchange Membrane). A finalidade do trabalho consiste em analisar, controlar e gerenciar a operação da célula a combustível (CaC) nas operações ilhada e conectada em relação à rede de distribuição. Nos primeiros capítulos do texto é elaborada uma revisão acerca do princípio de funcionamento e do modelo da CaC. Após este estágio inicial, são analisadas e modeladas as estruturas dos estágios CC e CA que compõem a geração distribuída. Para o modo conectado é desenvolvida uma estratégia para o controle da tensão do link CC que, a partir da regulação da corrente do estágio CA, permite o gerenciamento da potência fornecida pela CaC. Sequencialmente ao texto e com a adição do estágio de armazenamento de energia, é apresentada uma proposta que vincula a dinâmica da CaC com a estrutura de gerenciamento do estágio CC e CA. Esse fato garante que a alteração do ponto de operação da CaC seja descrito conforme uma dinâmica predeterminada, garantindo assim que transitórios não sejam absorvidos pela CaC. Como parte final da tese, é desenvolvida uma estratégia para a inicialização da CaC, a qual associa o próprio comportamento da célula e o estágio de armazenamento de energia. Os resultados apresentados ao longo do texto mostram que as estruturas propostas tornam a CaC menos sensível a transitórios de carga, além de serem capazes de deslocar (gerenciar) o ponto de operação da célula. Ao final de cada capítulo, são apresentados resultados experimentais e de simulações que auxiliam o entendimento e suportam as propostas do trabalho. / This thesis proposes a methodology for management and control of distributed generation with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the main source. Additionally, the analysis of performance is used when the PEM fuel cell operates in two different operation modes, i.e. in grid-connected and stand-alone modes. In the first chapters, a review of main features and a mathematical model of fuel cells are presented. Sequentially, the theoretical models of the DC- and AC-power converters are analyzed. For grid-connected operation mode, a strategy based on the DC-link voltage control is proposed via current regulation of the AC stage affording thus the management of the power produced by the fuel cell. Additionally, with the use of the storage devices, a proposal that associates the dynamics of the PEM fuel cell with the DC and AC stages is shown. This fact ensures that the movement of the fuel cell operating point is described within a predetermined dynamic, ensuring that transients are not absorbed by the fuel cell. Finally, a strategy for the startup of fuel cell in association with the energy storage stage is developed. The results show that the proposed structures makes the cell less sensitive to the load transient, in order to move (manage) the fuel cell operating point. At the end of each chapter, experimental and simulation results are presented to support the proposed approach.

Submitted by Morgana Silva (morgana_linhares@yahoo.com.br) on 2016-07-27T17:34:49Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3128757 bytes, checksum: 134acd3484b6279cdfe685eaa97006e0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T17:34:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3128757 bytes, checksum: 134acd3484b6279cdfe685eaa97006e0 (MD5) Previous issue date: 2015-07-30 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / This paper proposes an alternative control strategy for feedback state space of a CC-CC converter, applied for regulation of photovoltaic (PV) systems. The control technique depends on state space equations of the photovoltaic generator connected to the inverter. The controller gains are projected through the construction of a characteristic polynomial, which considers the terms of controllability and uses the formulation of Ackermann. The proposed method is initially tested by computer simulation using Matlab/Simulink environment. We present experimental results using the photovoltaic panel with the push-pull that prove the satisfactory performance of the proposed control. / Este trabalho propõe uma estratégia alternativa de controle por realimentação de espaço de estados de um conversor CC-CC, aplicado para fins de regulação de sistemas fotovoltaicos (PV). A técnica de controle depende de equações de espaço de estados do gerador fotovoltaico ligado ao conversor. Os ganhos do controlador são projetados por meio da construção de um polinômio característico, que considera as condições de controlabilidade e utiliza a formulação de Ackermann. O método proposto é inicialmente testado por simulação computacional, utilizando o ambiente Matlab/Simulink. São apresentados resultados experimentais utilizando o painel fotovoltaico junto com o push-pull que comprovam o desempenho satisfatório do controle proposto.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-11-01T21:47:48Z No. of bitstreams: 1 FranklinHebertSilvaDoNascimento_DISSERT.pdf: 1346492 bytes, checksum: 74f0a7a30f9331f1a05ee9589c4771b8 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-11-08T19:16:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FranklinHebertSilvaDoNascimento_DISSERT.pdf: 1346492 bytes, checksum: 74f0a7a30f9331f1a05ee9589c4771b8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-08T19:16:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FranklinHebertSilvaDoNascimento_DISSERT.pdf: 1346492 bytes, checksum: 74f0a7a30f9331f1a05ee9589c4771b8 (MD5) Previous issue date: 2016-06-30 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / Os avan?os tecnol?gicos ocorridos nas ?ltimas d?cadas representam uma procura da humanidade por melhores condi??es relacionadas ? qualidade de vida. Todo o desenvolvimento obtido nas diversas ?reas do conhecimento humano, quase sempre, est? diretamente relacionado ? utiliza??o da energia el?trica, sendo, portanto, de fundamental import?ncia, a pesquisa voltada para gera??o e formas de utiliza??o da energia el?trica gerada. O trabalho desenvolvido ? voltado a apresentar a utiliza??o de um conversor do tipo fonte de imped?ncia utilizado para alimentar cargas monof?sicas a partir de um sistema de alimenta??o prim?rio, operando em modo isolado. O conversor ? formado por uma malha de imped?ncia na entrada composta por um diodo ultra r?pido, indutores e capacitores, al?m disso s?o usadas quatro chaves de pot?ncia para converter pot?ncia CC em pot?ncia CA. A tens?o de entrada da malha Z ? sintetizada a partir de um conjunto composto por uma fonte de tens?o senoidal trif?sica ajust?vel; uma ponte retificadora trif?sica a diodos, e um grande capacitor eletrol?tico de filtro. Ser? apresentada uma metodologia de projeto para dimensionamento do conversor, bem como apresentada a t?cnica de modula??o Boost simples e suas varia??es, utilizadas no acionamento do conversor. Al?m disso ser? apresentada uma nova t?cnica de modula??o proposta nesse trabalho. As t?cnicas de modula??o para o acionamento do conversor ser?o avaliadas por meio de simula??es e resultados experimentais. / Technological advances occurred in the past decades show the quest of mankind for better quality life conditions. All the development achieved in different areas of human knowledge, in many cases, are directly related to the use of electricity. Research related to the generation of electricity and about the ways electricity can be used is a very important and actual area. This work has the purpose to introduce the use of an impedance source converter to feed single-phase loads from a primary feed system, operating in standalone mode. The converter has an impedance network at the input terminals composed by an ultra fast diode, inductors and capacitors. There are used four power switches to convert DC power to AC power. The input voltage in Z-network is synthesized using a set composed by an adjustable AC voltage source, a three-phase rectifier bridge and a larger electrolytic capacitor of filter. A guide line for the design of power converters and output filters, as well as simple boost modulation technique and its variations will be presented. Besides that, a new modulation technique will be proposed. Also simulation and experimental results about the modulation techniques used to drive the impedance source converter will be presented.