Este trabalho teve por objetivo avaliar a aplicação de diversas tecnologias de células a combustível tipo PEMFC desenvolvidas no IPEN para obtenção de um módulo de potência de 500 We. Foram estudados o aumento de escala na produção de MEAs de 25 cm2 para 144 cm2 pelo método de impressão a tela; a simulação por fluidodinâmica computacional de canais de fluxo de gases em placas bipolares utilizando o programa COMSOL e; o estudo de desempenho de eletrodos Pt/C desenvolvidos pelo método de redução por álcool, em células individuais de 144 cm2. Assim, desenvolveu-se um módulo de 500 We de potência nominal, produzido com tecnologia nacional, e com apoio da indústria para possíveis aplicações comerciais. A indústria nacional contribuiu com o hardware do módulo e os sistemas de vedação e refrigeração. Foi realizado um teste de 100 horas em célula unitária de 144 cm2 para observação do comportamento do MEA fabricado pelo processo de impressão à tela, bem como das outras tecnologias descritas, e a célula mostrou-se estável neste intervalo de tempo. O módulo desenvolvido com tecnologia nacional apresentou a potência máxima de 574 We à corrente de 100 A (694,4 mA cm-2). A potência de operação de 500 We foi obtida à corrente de 77,7 A (540,1 mA cm-2) ao potencial de 6,43 V, com uma eficiência de 43,3%. Em termos de cogeração, a potência térmica ou calor gerado pelo módulo foi de 652 Wt. Deste modo, foram consolidados os experimentos em P&D realizados no IPEN em células a combustível, para produção de potência elétrica. Uma estimativa inicial de custo para o módulo de 500 We estudado foi de R$ 4.500,00, baseando-se apenas nos materiais empregados em sua construção. / This work is part of a research project on PEMFC technologies carried out in IPEN to develop and optimize a 500 We fuel cell stack. The MEAs scaling up from 25 cm2 to 144 cm2 produced by the method of sieve printing; computational fluid dynamics by computer simulation of gas flow channels in bipolar plates using COMSOL® program and the use of Pt/C electrodes developed by alcohol reduction method in single cells were used to build a stack of 500 We nominal power for possible commercial applications, produced with national technology and industrial support. A 100 hours fuel cell´s test was carried out in a 144 cm2 single cell to study the stability of the MEA fabricated by sieve printing method. This single cell showed good stability within this period of time. The developed stack has reached the maximum power of 574 We at 100 A (694.4 mA cm-2). The operating power of 500 We was obtained at 77.7 A (540.1 mA cm-2) and potential of 6.43 V, with efficiency of 43.3%. In terms of cogeneration, the thermal power or generated heat by the stack was 652 Wt. The initial estimated cost for the 500 We stack was about R$ 4,500.00, considering only the used materials for its construction.

Muitos parâmetros nucleares são obtidos através da espectrometria gama de alvos irradiados no núcleo de um reator de pesquisa e este é o caso das folhas de ativação que possibilitam através da medida da atividade radioativa nelas induzidas, determinar o fluxo de nêutrons no local onde foram irradiadas. O nível de potência de operação do reator é um parâmetro diretamente proporcional ao fluxo médio de nêutrons no núcleo. Esse trabalho objetiva determinar a potência de operação do reator através da medida da distribuição espacial do fluxo de nêutrons no núcleo do reator IPEN/MB-01, através da irradiação de folhas de ouro infinitamente diluídas e criteriosamente posicionadas em seu interior. Essas folhas estão dispostas na forma de ligas metálicas em níveis de concentração tais, que fenômenos de perturbação de fluxo, como o fator de auto-blindagem, se tornem desprezíveis. As folhas de ativação possuem somente 1% de átomos de ouro dispersos numa matriz de alumínio contendo 99% deste elemento. As irradiações das folhas foram realizadas com e sem cobertura de cádmio. A total correlação entre fluxo de nêutrons térmico médio obtido pela irradiação das folhas de ativação infinitamente diluídas e a média dos valores digitais das correntes dos canais nucleares de potência 5 e 6 (câmaras de ionização não compensadas - CINC), permitem a calibração dos canais nucleares do reator IPEN/MB-01. / Several nuclear parameters are obtained through the gamma spectrometry of targets irradiated in a research reactor core and this is the case of the activation foils which make possible, through the measurements of the activity induced, to determine the neutron flux in the place where they had been irradiated. The power level operation of the reactor is a parameter directly proportional to the average neutron flux in the core. This work aims to get the power operation of the reactor through of spatial neutron flux distribution in the core of IPEN/MB-01 reactor by the irradiation of infinitely diluted gold foils and prudently located in its interior. These foils were made in the form of metallic alloy in concentration levels such that the phenomena of flux disturbance, as the self-shielding factors to neutrons become worthless. These activation foils has only 1% of dispersed gold atoms in an aluminium matrix content of 99% of this element. The irradiations of foils have been carried through with and without cadmium plate. The total correlation between the average thermal neutron flux obtained by irradiation of infinitely diluted activation foils and the average digital value of current of the nuclear power channels 5 and 6 (non-compensated ionization chambers - CINC), allow the calibration of the nuclear channels of the IPEN/MB-01 reactor.

Orientador: Edméa Cássia Baptista / Resumo: O problema de maximização da margem de carregamento operacional tem por finalidade determinar a maior demanda de carga em um sistema elétrico de potência que satisfaça todas as restrições operacionais do sistema e de equipamentos. Em linhas gerais, conhecer com precisão a máxima demanda de potência ativa e reativa suportada pelo sistema elétrico de potência para que o mesmo opere em condições satisfatórias é uma informação importante para a operação e planejamento do sistema. Muitos trabalhos, da literatura, formulam o problema de máximo carregamento através de um modelo de otimização contínuo, e mais recentemente, alguns trabalhos apresentam modelos que também passaram a levar em consideração o fator de potência da demanda das barras de carga. Neste trabalho propõe-se um modelo para o problema de máximo carregamento baseado no fator de potência de demanda ajustável e levando em consideração restrições de segurança. O problema de maximização da margem de carregamento operacional será formulado como um problema de programação não linear, não convexo de grande porte com variáveis contínuas e visa maximizar o somatório de potências ativas demandadas pelas barras de carga, respeitando um fator de potência mínimo pré-estabelecidos e restrições de segurança pós-contingência. Destaca-se que uma contribuição do trabalho é que o modelo encontre para o sistema um ponto de operação factível na presença de contingências pré-definidas, além disso, respeita os limites físicos e operacionai... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The problem of maximizing the operating load margin aims to determine the highest load demand in an electrical power system that satisfies all operational constraints of the system and equipment. In general, knowing precisely the maximum demand for active and reactive power supported by the electrical power system, in order that it operates in satisfactory conditions, is an important information for the operation and planning of the system. Many works in the literature formulate the problem of maximum loading through a continuous optimization model, and more recently, some works present models that also started to take into account the power factor of the load bars demand. This work proposes a model for the maximum load problem based on the adjustable demand power factor, taking into account security constraints. The problem of maximizing the operating load margin will be formulated as a non-linear, non-convex large programming problem with continuous variables and aims to maximize the sum of active powers demanded by the load bars, respecting an established minimum power factor and post-contingency security constraints. It is important to highlight that the model also ensures that the system finds a feasible operating point, even in the presence of predefined contingencies, besides; it respects the physical and operational limits provided for in the traditional Optimal Power Flow. The proposed model was tested for the IEEE 14, 30, 118 bus systems, simulated on the GAMS platf... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Neste trabalho investiga-se, inicialmente, o comportamento de um amplificador klystron de múltiplas cavidades segundo uma análise a pequenos sinais linear considerando o efeito de carga espacial para, na seqüência, apresentar uma análise do dispositivo utilizando um modelo não-linear a grandes sinais. Na primeira investigação apresenta-se, a partir da teoria dos modos normais, expressões que descrevem o balanço de potência complexo em uma cavidade excitada por um feixe de elétrons. Na seqüência, utiliza-se um modelo linearizado a pequenos sinais para desenvolver uma expressão para a densidade de corrente de convecção ao longo do tubo de deriva acoplado a múltiplas cavidades reentrantes, em função do campo elétrico produzido nos gaps de interação das cavidades. Estas expressões formam a base para a determinação do ganho de voltagem e de ganho de potência de um amplificador klystron de múltiplas cavidades, além da determinação de uma expressão para a largura de banda, sob a hipótese de cavidades idênticas e igualmente espaçadas. O código desenvolvido é validado utilizando-se os parâmetros de um amplificador klystron de 4 cavidades, com corrente d.c. de 525 mA, voltagem d.c. de 6 kV e freqüência de 1,849 MHz, quando se obteve um ganho de 70 dB. Na análise a grandes sinais, o modelo matemático utiliza o formalismo lagrangiano para resolver a dinâmica das partículas, descritas conforme o modelo de discos com raio finito, em uma análise unidimensional, considerando os efeitos não-lineares devido aos campos de carga espacial. O código é validado usando os dados de um amplificador klystron comercial Varian. Dentre outros, os gráficos da velocidade e da densidade do feixe de elétrons, da corrente harmônica, do ganho por cavidade, da conversão AM/AM, da compressão de ganho e da energia do sistema são mostrados e discutidos. Além disso, apresentou-se também um método para a determinação da freqüência de ressonância 0 f , para o fator de qualidade Q e para a razão (R Q) em cavidades cilíndricas reentrantes, de relevância para o projeto de amplificadores klystron de múltiplas cavidades, utilizando a técnica do casamento de admitância do gap de interação entre a cavidade e o tubo de deriva. Um dos resultados mais significativos é o da corrente harmônica fundamental, que resultou 60% maior do que a corrente d.c. considerando um dispositivo com 4 cavidades. / This work investigates, initially, a klystron amplifier with multiple cavities using a small signal analysis considering the space charge effects for, in sequence, provide an analysis of the device using a model for large signals. In the first investigation is presented, from the normal modes theory according to J. Slater, expressions that describe the complex balance of power in a cavity excited by an electron beam. Subsequently, it uses a linearized model for small signals to develop an expression for the convection current density along the drift tube coupled to multiple reentrant cavities, depending on the electric field produced in the interaction gaps of the cavities. These expressions form the basis for determining the voltage gain and power gain of an amplifier klystron to multiple cavities, and determination of an expression for the bandwidth, under the hypothesis of identical and equally spaced cavities. The developed code is validated using the parameters of a klystron amplifier, four cavities, with dc current 525 mA, dc voltage of 6 kV, and frequency of 1.849 GHz, when it obtained a gain of 70 dB. In the large signal analysis, the mathematical model uses the lagrangian formalism to solve the dynamics of particles, described as the model disk with finite radius in a one-dimensional analysis, considering the nonlinear effects due to space charge fields. The code is validated using data from a commercial Varian klystron amplifier of 1.848 GHz. Among others, the graphs of velocity and density of the electron beam, the harmonic current, the gain per cavity, the conversion AM/AM compression gain and energy of the system are shown and discussed. Moreover, it is presented a method for determining the resonant frequency 0 f , for the quality factor Q and the (R Q) at reentrant cylindrical cavities, of relevance for the design of a klystron amplifier of multiple cavities, using the admittance matching technique in the gap of interaction between the cavity and drift tube. One of the more significant is the fundamental harmonic current, which resulted 60% higher than the dc current considering a device with four cavities.

O objetivo do controle de cheias é regularizar a vazão defluente das usinas hidroelétricas para evitar danos às suas jusantes. Dentre os vários métodos para realizar o controle de cheias, destacam-se o da Curva Volume x Duração e o das Trajetórias Críticas. O Método da Curva Volume x Duração prioriza o controle de cheias, com o cálculo do volume de espera constante ao longo do período chuvoso, baseado nas vazões afluentes acumuladas. Já o Método das Trajetórias Críticas utiliza as vazões afluentes excedentes no cálculo recursivo elos volumes de espera, utilizando a ideia de envoltória das trajetórias. Neste trabalho, introduzem-se algumas melhorias no método da Curva Volume x Duração, sendo feitas análises comparativas entre este método, o método Curva Volume x Duração por Janelas (introduzindo o conceito de janelas de afluências), e ainda o método de controle de cheias por Equações Diferenciais Estocásticas, com o cálculo dos parâmetros por inferência bayesiana. O objetivo da análise é avaliar o desempenho no controle ele cheias de modo mais eficiente: minimizando os danos a jusante sem comprometer excessivamente ou desnecessariamente a geração de energia elétrica. As metodologias são aplicadas à Usina de Chavantes sob várias condições hidrológicas. Em cada análise são contabilizadas as ocorrências de falhas (vazão defluente superior à vazão de referência) e suas intensidades, bem como parâmetros relacionados à geração de eletricidade, tal como a energia armazenada no reservatório durante o período de cheias, disponibilidade média e diária de ponta e geração média diária. / The objective of the overflowing control is to regularize the outflow of the hydropower plant to avoid downstream damage. Among the several methods to accomplish the overflowing control, we pointed out the Curve Volume x Duration and the Critical Trajectories. The Curve Volume x Duration Method prioritizes the overflowing control, with the calculation of the expectation constant volume along the rainy period, based on the accumulated overflow. The Critical Trajectories Method already uses the overflow exceeding in the recursive calculation of the expectation volumes, using the idea of covering trajectories. In this work, some improvements are introduced in the Curve Volume x Duration Method, being made comparative analyses among this method, the Curve Volume x Duration by Window Method (introducing the concept of date windows), and still the overflow Method by Stochastic Differentiate Equations, with the calculation of the parameters by bayesian inference. The objective of the analysis is to evaluate the performance in the overflow control by efficient way: minimizing the downstream damages without committing excessively or unnecessarily the generation of electric energy. The methodologies are applied to Chavantes Powerplant, under several hydrologic conditions. In each analysis, the occurrences of faults are counted (flowing down higher them the flowing reference) and its intensities, as well as the related parameters to the electricity generation, like as the stored energy in the reservoir during the overflow period, medium and daily availability of peak and medium daily generation.

Este trabalho apresenta as principais topologias de conversores multinível descritos na literatura. É feita uma revisão bibliográfica, apresentando as vantagens e as limitações de cada topologia. A seguir são apresentados os métodos mais usuais de modulação para conversores multinível, bem como os campos de aplicação na indústria e em sistemas de potência As associações de conversores baseadas em conversores do tipo ponte completa monofásica foram escolhidas para um estudo mais detalhado. Para estas topologias são apresentados detalhes sobre as respectivas estratégias de controle e modulação. Inicialmente são apresentados os detalhes da ponte completa monofásica com tensão de saída modulada em PWM com dois e três níveis. A seguir são estudadas as associações série e paralela com barramentos CC isolados. O estudo da associação paralela com barramento CC único é a principal contribuição desta dissertação. Para esta topologia são propostas algumas estratégias de controle. Para todos estes casos são apresentados resultados de simulação e experimentais obtidos com inversores operando com potência reduzida, controlados por DSP. / This work presents the main multilevel converter topologies described in the literature. A bibliography revision is presented, showing the advantages and limitations of each topology. The most usual multilevel modulation methods are also presented, as well as their fields of application in the industry as well as in power systems. The one phase full bridge and its associations were chosen for detailed study. For this family of topologies, this dissertation presents details about control and modulation strategies. Initially, details about the one phase full bridge with two and three levels PWM modulated output voltage are presented. Next, the series association is analyzed, followed by the parallel with isolated DC link. The study of parallel connection with a single DC Link is the mainly contribution of this dissertation. For this topology are proposed some control strategies. For all these cases, simulation and experimental results (with, small scale prototype controlled by DSP) are presented.

Este trabalho apresenta uma aplicação de redes neurais artificiais (RNAs) na proteção diferencial de transformadores de potência, como um método para distinguir formas de onda que podem confundir a operação do relé. Vários fatores como, por exemplo, as situações de energização do transformador, podem causar uma má operação do dispositivo de proteção. Com o objetivo de melhoramento na proteção diferencial digital de transformadores de potência, desenvolveu-se um sistema completo de proteção, incluindo um dispositivo com base em RNAs, em substituição à filtragem harmônica dos sinais, existentes no algoritmo convencional. Com a referida adição de RNAs em um algoritmo completo de proteção diferencial de transformadores, obteve-se uma solução bastante precisa e eficiente, capaz de responder em um tempo reduzido, se comparada aos métodos convencionais. / This work presents an application of artificial neural networks (ANNs) in differential protection of transformers as an alternative method to distinguish among wave forms which can cause malfunction to the relay. One of the several factors that can cause malfunction is the inrush current present when the transfonner is energized. In order to improve the differential protection of the power transformers, the authors added a neural network routine to the conventional differential protection algorithm, in substitution to the filtering of the harmonic signals found on the traditional algorithm. By making this option, the authors obtained a more effective and precise solution, compared to the conventional methods.

Este trabalho propõe a adoção de uma estrutura de controle, com base na tese de doutorado de (BUEHNER, 2010), a qual utiliza um modelo com a dinâmica inversa da planta a ser controlada, de maneira a prover a pré-alimentação da tensão de referência para o controle de um conversor de potência monofásico, modulado por largura de pulso (PWM), obtendo-se bons resultados para o rastreamento da corrente do indutor de filtro conectado à saída deste conversor de potência. No trabalho, são apresentadas outras duas estruturas de controle por pré-alimentação, responsáveis respectivamente pelo cancelamento da perturbação gerada pela tensão na saída do filtro indutivo e pelo cancelamento do erro de tensão gerado pelo tempo morto. Com o intuito de assegurar o desempenho de rastreamento da corrente, face às variações de parâmetros do processo e as imperfeições existentes no modelamento da planta real, emprega-se a estrutura de controle proporcional, em malha fechada, assegurando a robustez da estrutura de controle, facilitando-se o ajuste da malha de controle. Os resultados de simulação e obtidos experimentalmente são comparados, validando-se efetivamente a estratégia de controle proposta. / This work presents the control structure based on (BUEHNER, 2010) PhD thesis, which uses an inverse dynamic model for the plant to be controlled, providing the feedforward voltage reference to control a single-phase, pulse width modulated power converter (VSI-PWM), achieving good results for the output inductor current tracking, connected on the power converter output. Two feedforward control structures are presented, for the cancellation of the voltage disturbance generated by the output filter voltage and the cancellation of voltage error generated by the dead time implementation, respectively. In order to ensure the current tracking performance in face of process parameter variations and modeling imperfections existing in the real plant, the closed loop proportional is employed under the proposed control structure, ensuring the control robustness, and facilitating the loop gain adjustments. The simulation and experimental results are obtained and compared, effectively evaluating the proposed control strategy.

A crescente utilização de cargas sensíveis em aplicações industriais, atualmente tem levado a uma preocupação real devido aos custos provocados por interrupções e danos causados a linhas de produção automatizadas. Este trabalho apresenta uma solução baseada em sistemas de eletrônica de potência capaz de compensar Voltage Sags, Voltage Swells e distorções harmônicas de tensão, restaurando a tensão da carga a valores aceitáveis através de um transformador de injeção conectado em série entre a rede e a carga. As características de projeto para um protótipo de Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR) são detalhadas, estratégias de controle são comparadas e uma das alternativas é implementada em um DSP (Digital Signal Processor). Finalmente, resultados experimentais de um protótipo de 5kVA são apresentados. / The increasing use of voltage sensitive loads on industrial applications has led to a real concern about interruption costs and damages on automatic production lines. This work presents a power-electronic-based device which compensates Voltage Sags, Voltage Swells and Voltage Harmonic Distortion, restoring the load voltage to acceptable values through a series connected injection transformer. The ratings and power requirements of a Dynamic Voltage Restorer (DVR) are derived, as well as its control algorithm implemented in a Digital Signal Processor (DSP). Finally, simulation and experimental results of a 5kVA prototype are presented.

O objetivo deste trabalho é analisar uma topologia de controle para a malha de tensão de um inversor para fontes de alimentação ininterruptas (UPS) com forma de onda senoidal na saída. É proposto um sistema de controle com duas malhas, uma de tensão com controlador ressonante e outra do tipo PI de corrente no qual a variável de controle é a corrente do capacitor de filtro de saída. Mais especificamente pretende-se estudar o problema de rastreamento de tensão nos inversores de UPS monofásicos, apresentando o estado da arte e uma classificação dos controladores que servem de solução para este problema específico. / This work analyses a uninterruptible power supply (UPS) inverter control scheme with sinusoidal output voltage. A two-loop control scheme is proposed; one voltage loop using a resonant controller and a PI current controller with the output capacitor filter current as control variable. A review on voltage tracking control in one-phase voltage source inverter is presented, showing the state of the art and a controller classification for this specific problem.