O trabalho dedica atenção à otimização do acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de conversores de frequência comerciais, para acionar bombas centrífugas para fins de bombeamento de água. Procedimentos para otimização deste novo tipo de configuração são propostos. As ações de otimização são avaliadas através de ensaios experimentais realizados em uma bancada desenvolvida para este propósito. A bancada desenvolvida permite simular poços de até 100 m de profundidade. Resultados da operação de um protótipo instalado em campo são apresentados. Os resultados da pesquisa comprovam que este novo tipo de configuração é confiável e economicamente viável, podendo ser adotada como uma solução universal para sistemas de bombeamento de água que utilizam motobombas com potência igual ou superior a 1/2 CV. / This work is concerned with in the optimization of photovoltaic pumping systems that make use of a variable-speed drive and conventional induction motor with centrifugal pumps. Procedures for optimization of this new kind of configuration are proposed. The optimization actions are evaluated through experimental measurements accomplished in a test facility developed for this purpose. The developed test facility allows the simulation of wells with total head up to 100 m. Operation results of a prototype installed in the field are shown. The research results prove that this new kind of configuration is reliable and economically feasible, and could be adopted as a universal solution for water pumping systems with motors of 1/2 HP (metric) or higher.

AssociaÃÃo TÃcnico-CientÃfica Eng. Paulo de Frontin / This paper presents the study and development of a voltage impulse generator using a cascaded boost converter topology operating in Discontinuous Conduction Mode (DCM) which will be used for the inspection of grounding systems used by electric power companies. The output voltage of the converter is applied to the grounding system which behaves as a load. The signal applied to the ground was measured by the data acquisition system and analyzed by an intelligent algorithms software. The voltage has the characteristics of a double exponential waveform which is a mathematical model used for study of lightning. Furthermore, the impulse generator has the option to produce a square waveform output voltage. Unlike, the traditional impulse generator with spark gaps, which was disadvantages of poor lifetime and the need of external system to operating the same, the developed generator uses only semiconductor devices in its construction. A theoretical study was carried out through qualitative and quantitative analyzes moreover, the switching process and the losses in the converter components were studied. In this work was performed the design of a cascaded boost converter for evaluating grounding systems with approximated 156 W, input voltage of 110 Vac rms and an output peak voltage of approximately 880 VDC, which correspond to the sum each voltage capacitor of the boost converter, when they are connected in series. A prototype with the indicated specifications was implemented and experimentally tested in the laboratory and real conditions using four grounding systems configurations. Tests were performed considering that the grounding impedance is resistive. The obtained experimental and simulation results are used to validate the theoretical analysis and the designed converter. / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um gerador de impulsos de tensÃo usando a topologia de um conversor boost em cascata operando em Modo de ConduÃÃo DescontÃnua (MCD) que serà utilizado para inspeÃÃo de sistemas de aterramentos usados pelas concessionÃrias de energia elÃtrica. A tensÃo obtida na saÃda do conversor à aplicada ao sistema de aterramento que se comporta como uma carga. O sinal aplicado ao aterramento à medido pelo sistema de aquisiÃÃo de dados e analisado pelo software por algoritmos inteligentes. A tensÃo aplicada tem as caracterÃsticas de uma onda tipo dupla exponencial que à um modelo matemÃtico para estudo de descargas atmosfÃricas. AlÃm disso, o gerador poderà gerar tensÃes com caracterÃsticas de uma onda quadrada. O gerador de impulsos desenvolvido utiliza apenas dispositivos semicondutores na sua construÃÃo que apresentam as vantagens de possuir uma longa vida Ãtil, podem operar em altas frequÃncias, sÃo acionados com baixa tensÃo e possuem uma baixa queda de tensÃo ao contrÃrio dos tradicionais geradores de impulsos que utilizam os spark gaps para chaveamento que apresentam como desvantagens a baixa vida Ãtil e a necessidade de um sistema externo para funcionamento da mesma. Um estudo teÃrico foi realizado atravÃs das anÃlises qualitativa e quantitativa, alÃm das anÃlises do processo de comutaÃÃo e das perdas nos componentes do conversor. Neste trabalho foi realizado o projeto do conversor boost em cascata para inspeÃÃo de sistemas de aterramento com uma potÃncia aproximada de 156 W, tensÃo de entrada eficaz de 110 Vca e tensÃo de pico de aproximadamente 880 Vcc que corresponde à soma da tensÃo dos capacitores do conversor boost quando estÃo dispostos em sÃrie. Um protÃtipo com as especificaÃÃes indicadas foi construÃdo e testado experimentalmente em laboratÃrio e em campo utilizando quatro topologias de sistemas de aterramento. Foram realizados testes considerando que a impedÃncia de aterramento era puramente resistiva. Os resultados de simulaÃÃo e experimentais obtidos sÃo utilizados para validar a anÃlise teÃrica e o projeto realizado.

This work presented is DC-DC isolated ZVS Bidirectional Dual Active Bridge (DAB) single phase converter, based three-state switching cell is presented. The proposal is to apply it in photovoltaic systems with battery bank into smart networks. Basically the drive control is the duty cycle (D) of the switches and the Phase Shift (φ) of the fundamental tensions between the bridges. The gyrator modeling of the converter is presented, highlighting its natural operating characteristic as gyrator. Shows the qualitative and quantitative analysis of the converter, realizing the full study of the stages of operation of the topology and checking all sixteen regions of operation. To obtain the regions of soft-switching, the fundamental model is applied. The design procedure of the converter is presented, and the results of simulations. A 2kW prototype was developed, aimed at obtaining experimental results validate the theoretical analysis / Neste trabalho à apresentado o conversor CC-CC ZVS isolado bidirecional Dual Active Bridge (DAB) monofÃsico, baseado na cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados. A proposta à aplicÃ-lo em sistemas fotovoltaicos com banco de baterias em redes inteligentes. Basicamente o controle do conversor consiste na razÃo cÃclica (D) dos interruptores e o Phase Shift (φ) entre as componentes fundamentais das tensÃes entre as pontes. A modelagem por gyrator do conversor à apresentada, destacando-se sua caracterÃstica natural de funcionamento como gyrator. Mostra-se a anÃlise qualitativa e quantitativa do conversor, realizando o estudo completo das etapas de operaÃÃo da topologia e verificando todas as dezesseis regiÃes de operaÃÃo. Para obtenÃÃo das regiÃes de comutaÃÃo suave, à aplicado o modelo fundamental. O procedimento de projeto do conversor à apresentado, alÃm dos resultados de simulaÃÃes. Um protÃtipo de 2 kW foi desenvolvido, visando a obtenÃÃo dos resultados experimentais e validando a anÃlise teÃrica.

Made available in DSpace on 2014-07-29T14:52:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Antonio Marcos 25022010.pdf: 1893079 bytes, checksum: 7678a19648ddfd55dd2c6b7a3ecaa4fd (MD5) Previous issue date: 2010-02-26 / It has been noticed lately that some regions of Brazil has presented lower supplying of water and energy. It has occurred mainly during the period of the year when it is higher the need for irrigation water. It is necessary to recognize the possibility of negative impacts of irrigation, to analyze them and present solutions so as to improve the irrigation systems. The aim of this study is the estimation by one system of irrigating the central pivot, breaking from the characteristics of this systems and considering the analyzed of varies combinations of pipes for water main and lateral line, choice of the set motor pump with major yield, utilization and comparison among motor standard and of high yield after the selection from best option in diameter from water main and lateral line, analyze the system using a variable frequency drives. The result with the calculations performed was an energy saving of 25% considering the use of the diameter for the two economic systems adopted. For analysis using a frequency inverter with resulted in a saving of 9.23% for center pivot irrigation system exists, and for the new center pivot irrigation system resulted in savings of 10.6%. The analysis of return on investment considering the use of the system with variable frequency drive was a rate of return on investment of 6.52% pa, center pivot irrigation system for existing and center pivot irrigation system was again 9.48 % pa. The project's return, more long-term, or feasible in the short term, considering the benchmark interest rate to 12.25% pa. The results presented in the study show that there is great potential for power savings, and economic analysis showed the feasibility of the system with return on invested capital. The calculation used for determining the center pivot irrigation system reduces the cost and time to obtain data that make analysis of the potential of saving electricity. / Ultimamente vem percebendo com mais intensidade, a escassez de água e energia elétrica em algumas regiões do país. Esta observação ocorreu justamente no período do ano quando existe a maior necessidade de demanda de água das culturas irrigadas. A necessidade de reconhecer a possibilidade de ocorrência de impactos negativos do uso da irrigação, avaliando-os e desenvolvendo soluções tecnológicas que provoquem melhorias, viabilizando a atividade agrícola irrigada, de forma adequada. Este trabalho teve por objetivo a otimização de um sistema de irrigação pivô central, partindo das características desse sistema e considerando a análise de várias combinações de tubos para a adutora e linha lateral; escolha do conjunto motobomba com maior rendimento; utilização e comparação entre motor padrão e de alto rendimento, após a escolha da melhor opção de diâmetro da adutora e linha lateral, aná lise do sistema utilizando inversor de frequência. A metodologia adotada consistiu na otimização de dois sistemas de irrigação pivô central um existente no local e outro considerando um sistema de irrigação pivô central novo projetado para atender determinada lamina d água. Para os dois sistema de irrigação pivô central foi considerando a análise econômica do diâmetro das tubulações que compõem o sistema de irrigação a pivô central, analisando varias configurações de diâmetros diferentes, rotações do conjunto moto bomba, utilização de motores de alto rendimento e padrão, uso do inversor de freqüência. O resultado com os cálculos realizados foi uma economia de energia elétrica de 25% considerando o uso do diâmetro econômico para os dois sistemas adotados. Para análise com uso inversor de frequência com, resultou em uma economia de 9,23% para o sistema de irrigação pivô central existente, e para o novo sistema de irrigação pivô central resultou em uma economia de 10,6%. A análise do retorno do investimento considerando o uso do sistema com inversor de frequência foi de uma taxa de retorno do investimento de 6,52% a.a, sistema de irrigação pivô central existente e para o sistema de irrigação pivô central novo foi de 9,48% a.a. O projeto tem retorno, mas de longo prazo, ou seja, inviável em curto prazo, considerando a taxa básica de juro com 12,25% a.a. Os resultados apresentados no trabalho mostram que há um grande potencial de economia de energia elétrica, e a análise econômica mostrou a viabilidade do sistema com retorno do capital investido. O cálculo utilizado para a determinação do sistema de irrigação pivô central diminui o custo e o tempo para obtenção de dados que compõem a análise do potencial de economia de energia elétrica.

[pt] É apresentado um projeto para desenvolvimento de um conversor tempo-digital. O projeto baseia-se no uso de um oscilador como clock de referência, acoplado a uma linha de retardo composta por células de retardo discretas. O retardo total da linha é igual ao período do oscilador, de modo que a cada ciclo apenas um pulso se propaga através da linha. A medida de intervalos de tempo é composta pelo registro da contagem do número de pulsos do oscilador durante o intervalo, mas uma estimativa fina obtida a partir da posição do pulso na linha de retardo no momento de incidência dos sinais delimitadores do intervalo medido. Um estudo detalhado da linha de retardo é mostrado, indicando sua aplicabilidade para a tarefa em questão. Deste estudo fica clara a necessidade de se prever um circuito de acionamento (driver) que realize a interface entre a linha de retardo e os circuitos digitais. Este drive é projetado e testado. Simulações do circuito completo (oscilador, linha reta de retardo, drivers, registrador, codificador e contador) são feitas, demostrando a viabilidade do projeto. Para a implementação do conversor, foram utilizadas uma placa de circuito impresso com quatro camadas e uma interface de aquisição de dados. / [en] It is present a project to develop a Time to Digital Converter. Project is based on use of a oscillator as a clock coupled to a delay line compound by delay cells. The total delay line is equal to the period of oscillator, such for each eycle only a pulse cross the line. Measure of these intervals of time is compound by recording the numbers of oscillators pulses during these intervals, added to a fine estimation from the interval. A detailed study of delay line is showed, indicating its is applicable. It is already important to project a driver that realizes the interface between delay line and the others digital circuits. This driver is projected and tested. Complete circuit is simulated, (oscillator, delay line, register, encoder and counter), showing that project is applicable. A printed board crcuit with four layers and a interface for processing data were developed.

[pt] Os sistemas de potência são projetados para operar com rígidos requisitos de qualidade, de modo que, as usinas hidrelétricas devem gerar energia, mantendo tensão e freqüência elétrica constantes. No método clássico de geração, a freqüência é controlada pelo sistema regulador de velocidade de turbina, que tende a manter a rotação da turbina fixa na velocidade síncrona. Como durante a operação da usina, as condições físicas como, por exemplo, altura de queda e vazão, não reproduzem as de projeto durante todo o tempo, o ponto de operação da turbina pode afastar-se da região de máxima eficiência por longos períodos, reduzindo seu rendimento total. Este trabalho aborda a utilização da máquina de dupla alimentação com conversor estático em seu rotórico para geração hidrelétrica em regime de velocidade ajustável, com desacoplamento entre a velocidade da turbina e a freqüência do sistema, apresentando os benefícios obtidos através do uso desta tecnologia. / [en] Power systems are designed to operate under strong quality requirements, so that hydroelectric plants have to produce energy with constant voltage and frequency. According to classical generation schemes, frequency is controlled by the speed governors, which tend to maintain the turbine rotating speed fixed at a synchronous speed. During the plant life the basic variables, such as water head and flow, are not the same as those assumed for the design, the turbine s operating point can go out of the region for maximal efficiency for long periods of time, decreasing than the plant total efficiency. This dissertation brings up the use of a double-fed machine with a static converter connected to the rotor s circuit for adjustable speed generation, with the decoupling of the turbine speed and the system frequency. This work does also show the improvements of the use of this technology.

A abordagem principal desse trabalho é o estudo de técnicas anti-ilhamento ativas com realimentação positiva em um sistema de Geração Distribuída (GD) composto por um Inversor Fonte de Tensão (VSI,do inglês Voltage Source Inverter) e com cargas locais conectadas em paralelo. Na literatura são encontrados dois grupos de técnicas empregadas como proteção anti-ilhamento: as ativas e as passivas. Os métodos de detecção de ilhamento ativos são utilizados, pois possuem menores zonas de não detecção em comparação às técnicas passivas, porém injetam distúrbios contínuos no sistema de GD. Esses distúrbios degradam a qualidade de energia elétrica fornecida pelo conversor eletrônico. Nesse contexto, como escopo dessa dissertação, é realizado o estudo da estrutura de controle empregada no sistema de GD conectado com a rede de distribuição, com o intuito de avaliar o funcionamento do gerenciamento de tensão e de potência ativa e reativa. E em seguida, são discutidas técnicas de detecção de ilhamento ativas em frequência e tensão, ambas, com realimentação positiva e ganho fixo com o objetivo de investigar o desempenho das mesmas em relação ao tempo de detecção e a injeção de distúrbios no sistema de controle da GD. A partir dessa análise, são desenvolvidas técnicas anti-ilhamento com intuito de reduzir a injeção de distúrbios em diferentes pontos de operação da GD e garantir uma eficiência semelhante aos métodos tradicionais em casos de difícil detecção. Essas técnicas são baseadas na implementação do cálculo de um ganho com realimentação positiva variável inversamente proporcional a variação de potência ativa ou reativa entregue a rede. Para validação das propostas presentes nesta dissertação, são obtidos resultados em simulações computacionais e, posteriormente são adquiridos resultados práticos através de uma bancada experimental compatível com o sistema de GD simulado. / The main approach of this thesis is the study of active anti-islanding techniques with positive feedback in a Distributed Generation (DG) system composed by a Voltage Source Inverter (VSI) and local loads. In literature two groups of techniques are used as anti-island protection: the active and the passive techniques. The active islanding detection methods are preferably used because of the smaller non-detection zones compared to passive techniques, however they inject continuous disturbances in the DG system, reducing the power quality provided by the VSI. In this context, as the scope of this dissertation, it is firstly carried out the study of control structures employed in grid-tied distribution system, to evaluate the operation of the voltage control loops, and the active-and reactive power managements. Additionally, we discuss active islanding detection techniques in frequency and voltage with positive feedback and constant gain, based on the classical, with the objective of investigating their performance in relation to the detection time and the injection of disturbances in the DG system. From this analysis, antiislanding techniques are developed to guarantee efficiency similar to the traditional methods in cases of small-power flow through the grid and minimize disturbances. These techniques are based on the calculation of the positive feedback variable gain inversely proportional to the deviation of active or reactive power delivered or absorbed from the grid. To validate this proposal, the results are obtained through computational simulations and experimental analysis, as well.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-13T15:20:14Z No. of bitstreams: 1 salatieldecastrolobato.pdf: 51678452 bytes, checksum: 022776c88833a1e47901180ebd1f826b (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-13T19:33:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 salatieldecastrolobato.pdf: 51678452 bytes, checksum: 022776c88833a1e47901180ebd1f826b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-13T19:33:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 salatieldecastrolobato.pdf: 51678452 bytes, checksum: 022776c88833a1e47901180ebd1f826b (MD5) Previous issue date: 2016-11-07 / O objetivo geral desta dissertação é o aperfeiçoamento do projeto de uma nova fonte de corrente em desenvolvimento para o acelerador de partículas Sirius. A corrente da fonte é aplicada em magnetos de elevada indutância e são programadas para apresentar forma de onda com significativa componente senoidal em corrente contínua e em baixa frequência, de acordo com as características operacionais necessárias do Sirius. Para efeitos de estudo, a metodologia empregada consiste essencialmente em desacoplar a análise e o projeto do controle em um estágio regulador de tensão seguido de um estágio de síntese da corrente. Foram realizados ensaios em uma fonte em construção no Laboratório Nacional de Luz Síncroton e em um protótipo desenvolvido na UFJF. As principais contribuições descritas nesta dissertação são: i) atenuação da propagação de distúrbios de baixa frequência para a rede elétrica; ii) emprego de retificador de tensão controlado para regulação da tensão do barramento CC, melhoria do fator de potência e redução de componentes harmônicas. Os resultados experimentais evidenciam que as alterações de projeto propostas nesta dissertação apresentam grande potencial para melhorar o desempenho da fonte de corrente em termos da qualidade de energia elétrica e da sintetização de corrente senoidal no magneto do acelerador de partículas. / This work consists in the evaluation and improvement of a current source for a particle accelerator. The output current presents a DC sinusoidal waveform in low frequecy which flows through the windings of high inductance electromagnets. The methodology consists in separating the analysis and project of the control into two parts: a voltage regulator stage,followedbyacurrentsynthesisstage. Testswereperformedonacurrentsourceunder construction at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS) and on a prototype developed at UFJF. The work main contributions are: i) Attenuation of the low frequency disturbances on the electrical grid; ii) Use of a controlled rectifier to regulate the voltage of the DC bus, improvement in power factor and reduction of harmonic components. The experimental results show that the proposed changes have potential in improving the performace of the current source in terms of its electric power quality and synthesis of sinusoidal current in the particule accelerator.

Os controladores Proporcional+Integral+Derivativo (PID) são largamente empregados na indústria devido à sua estrutura contendo ações integral e derivativa e por possuir ordem fixa. Na literatura, encontram-se vários métodos para a sua sintonia. Nesse trabalho é apresentada uma forma de obter a sintonia do PID utilizando o índice de desempenho H∞ de forma não-iterativa. Essa sintonia é feita utilizando-se a representação em espaço de estado na forma canônica controlável. No entanto, como trata-se de um controlador de ordem fixa, variações na planta podem interferir de forma significativa no desempenho desejado e precisam ser compensadas. Assim, propõe-se também uma adaptação dos parâmetros do PID de modo a manter a função de transferência de malha fechada o mais próximo possível da nominal utilizada na sintonia. Para isso, modela-se a estrutura de controle como um sistema linear sobre-determinado com restrições lineares, advindos de conjuntos estabilizantes baseados no conceito de assinatura Hurwitz, e utiliza-se um método de otimização quadrática para obter os parâmetros do controlador. Para circunvir o conservadorismo da norma H∞, um método para mitigar apenas o efeito de algumas harmônicas na saída do sistema também é proposto, restringindo-se a sensibilidade do sistema que é representada por elipses no lugar geométrico dos ganhos estabilizantes do PID. Simulações no software Matlab, Simulink e PSIM foram utilizadas para validar os modelos e metodologias propostas. Resultados experimentais demonstraram a eficácia do método para mitigação de harmônicos em um conversor CC–CC do tipo boost. / Proportional + integral + derivative (PID) controllers are widely used in the industry due to their structure containing integral and derivative actions and for having a fixed order. In the literature, there are several methods for PID tuning. In this work it is presented a way to obtain PID tuning using a non-iterative H∞ design. This tuning is done using the state-space representation in the controllable canonical form. However, because it is a fixed-order controller, plant variations can significantly interfere with the desired performance and need to be compensated. Thus, it is also proposed to adapt the PID parameters so as to keep the closed-loop transfer function as close as possible to the nominal used in the tuning. For this, the control structure is modeled as an over-determined linear system with linear constraints, derived from stabilizing sets based on the Hurwitz signature concept, and a quadratic optimization method is used to obtain the controller parameters. In order to circumvent the conservatism of the norm H∞, a method to mitigate only the effect of selected harmonics on the output of the system is also proposed, constraining the sensitivity function of the system which is represented by ellipses in the stabilizing gains locus of the PID. Simulations in Matlab, Simulink and PSIM softwares were used to validate the proposed models and methodologies. Experimental results demonstrated the effectiveness of the harmonic mitigation method in a boost DC–DC converter.

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