Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:25:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho procurou-se determinar as melhores condições para realizar a soldagem em aços AISI P20 e VP50IM, utilizados para moldes de injeção de plásticos, de modo a obter no estado como soldado características adequadas para responder uniformemente aos processos de polimento, espelhamento e texturização. A importância dessa uniformidade reside em que as diferenças de relevo na superfície são transferidas à peça injetada. As soldagens foram realizadas pelo processo TIG alimentado, usando um sistema mecanizado. Para a soldagem do aço P20 foi utilizado material de adição dissimilar, AWS ER 80S-B2. Para a soldagem do VP50IM foram utilizados dois arames, similar e dissimilar AWS ER 80S-B6. Em depósitos de cordão simples realizados com diferentes energias e posteriormente submetidos a tratamentos de superfície, foi possível verificar que para obter superfícies polidas ou espelhadas satisfatórias é preciso ter uma dureza uniforme na solda e metal de base, MB. Pelo contrário, a qualidade da superfície texturizada depende da uniformidade na microestrutura, mais do que na dureza. A partir de dados do ensaio de "implante de cordão", valores das temperaturas de transformação obtidos por dilatometria e uso de modelo de transferência de calor em soldagem, foi possível otimizar a aplicação das técnicas da dupla camada e passe de revenido, de modo que as soldas submetidas aos diversos tratamentos superficiais apresentaram qualidade satisfatória, para todas as combinações de materiais de base e de adição estudados. Enquanto que no aço VP50IM uma camada é suficiente para conseguir esses resultados, no aço P20 é necessário aplicar uma segunda camada para promover o tratamento térmico da primeira.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2017-01-13T13:09:46Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-01-16T11:03:49Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-16T11:03:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Laura Vitória Rezende Dias - 2016.pdf: 6797582 bytes, checksum: 102b4a133abc8e93649bbe49a562dcad (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-12-05 / This work is the development of a prototype for Stirling engine which was designed with the aim of understanding the machine mainly about the component parts, construction difficulties and type of relevant parameters for its performance. Starting from geometric and thermodynamic data from the prototype, with application of the Schmidt modeling, a digital program was developed to calculate values such as power output and efficiency. The prototype was also used to carryd out bench tests using a data acquisition system implemented in electronics platform Arduino Uno. Using Hall-effect and temperature sensors, following the steps of the algorithm proposed by Conner, it was possible to raise data as temperature and revolutions per minute (rpm) for the flywheel coupled to the prototype shaft, these variables made possible to estimate the power output and operational conditions such as the gas temperature in compression and expansion spaces, etc. The comparison between results from simulations and the bench tests demonstrated the great influence of prototype construction data (volumes, source temperature, etc.) on the output power and the performance of the equipment and also how far is the constructed device from the ideal model proposed by Schmidt. The experiments have shown that the prototype can reach a rotation speed up to 1.200 rpm at 159 degrees Celsius of external engine heat source, with output power of 100 milliwatt. The prototype resulting from this research, although small, has allowed the access to important information that can open paths to the construction of larger Stirling engines and consequently with output powers closer to practical use. / Este trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo didático de motor Stirling, que foi concebido com o intuito de compreender a máquina principalmente em relação as partes componentes, as dificuldades construtivas e os tipos de parâmetros relevantes para o desempenho. Partindo de dados geométricos e termodinâmicos do protótipo, com aplicação da modelagem de Schmidt, elaborou-se um programa digital que permite calcular grandezas como potência de saída e rendimento. Empregando o protótipo, foram também realizados ensaios em bancada de laboratório, para os quais utilizou-se um sistema de aquisição de dados implementado na plataforma eletrônica Arduino Uno. Através do uso de sensores de efeito Hall e de temperatura, seguindo os passos do algoritmo proposto por Conner, foi possível levantar dados como temperatura e revoluções por minuto (rpm) do volante acoplado ao eixo do protótipo, o que permitiu estimar sua potência de saída e as condições operacionais, como a temperatura do gás nos espaços de compressão e expansão, etc. A comparação entre a simulação computacional e os resultados dos ensaios em bancada demonstrou a influência dos dados construtivos do protótipo (volumes, temperatura da fonte, etc.) sobre a potência de saída e o rendimento do protótipo e também o quão distante está o dispositivo construído do modelo ideal proposto por Schmidt. Os resultados obtidos pelos ensaios mostraram que o protótipo alcança velocidade de rotação de até 1.200 rpm a uma temperatura de 159 graus Celsius da fonte térmica externa ao motor, com potência de saída de 100 miliwatt. O protótipo resultante desta pesquisa, apesar de pequeno porte, permitiu a obtenção de informações importantes que podem abrir caminhos para a construção de motores Stirling de maiores dimensões e consequentemente com valores de potências de saída para utilização prática.

Os inversores multiníveis podem se beneficiar de filtros de saída reduzidos devido ao menor conteúdo harmônico do sinal sintetizado, dado que suas saídas possuem menores diferenças de tensão durante seu chaveamento. Sua desvantagem é causada pelo elevado número de chaves controladas normalmente necessário para seu funcionamento, e seus circuitos auxiliares. No objetivo de reduzir o número de chaves utilizadas em um inversor de sete níveis, uma nova topologia para um inversor de sete níveis de tensão é apresentada, construída a partir de duas fontes de tensão assimétricas conectadas em série e seis chaves semicondutoras. Este trabalho analisa os princípios de operação desta topologia e a lógica de chaveamento necessária para seu funcionamento. O arranjo proposto não oferece a possibilidade de redução de tensão sobre as chaves, conforme apresentado nas topologias clássicas de inversores com ponto neutro grampeado a diodo ou capacitor e de células em série, mas reduz a quantidade dos componentes necessários para a composição dos sete níveis, sendo possível utilizá-lo em inversores de baixa tensão, devido à seu menor tamanho e complexidade. O estudo apresenta a estrutura resultante em forma de um inversor monofásico por modulação de largura de pulso com disposição das portadoras em oposição de fase, com sete níveis igualmente espaçados, utilizando apenas seis chaves e duas fontes de tensão com alimentação assimétrica, em que a principal fonte tem o dobro da tensão da outra fonte. O funcionamento da topologia é verificado em simulação e implementação de protótipo de 860W. Uma outra versão também é apresentada analiticamente, com melhor grampeamento da tensão, utilizando oito chaves comandadas com uma lógica mais simplificada. Por fim, algumas propostas são sugeridas para a geração dos dois barramentos de tensão necessários. / Multilevel inverters can benefit from reduced output filters due to the lower harmonic content of the synthesized signal, since their outputs have lower voltage differences during their switching. Its disadvantage is caused by the high number of controlled switches and its auxiliary circuits normally required for its operation. In order to reduce the number of switches used in a seven-level inverter, a new topology for a seven level and its auxiliary circuits inverter is presented, constructed from two asymmetrical voltage sources connected in series and six semiconductor switches. This work analyzes the principles of operation of this topology and the switching logic required for its operation. The proposed arrangement does not offer the possibility of voltage reduction on the switches, as presented in the classical inverters topologies with diode or capacitor clamping or the series connected cells, but it reduces the amount of components necessary for the composition of the seven levels, being possible to use it in low voltages inverters, due to its smaller size and complexity. The study presents the resulting structure in the form of a single-phase inverter, using the pulse-width modulation with phase-contrast carriers technique, with seven equally spaced levels, using only six switches and two voltage sources with asymmetrical voltages, in which the main source has double the voltage of the other. The operation of the topology is checked with simulation and an implementation of a 860W prototype. Another version is also presented analytically, with better voltage clamping, using eight keys controlled with a more simplified logic. Finally, some proposals are suggested for the generation of the two necessary voltage rails.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2012-04-13T18:54:52Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseImpactoConversores.pdf: 3431144 bytes, checksum: 1d9f792ba412f7aa01d7a772d9274800 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos(edisangela@ufpa.br) on 2012-04-13T18:56:10Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseImpactoConversores.pdf: 3431144 bytes, checksum: 1d9f792ba412f7aa01d7a772d9274800 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-04-13T18:56:10Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseImpactoConversores.pdf: 3431144 bytes, checksum: 1d9f792ba412f7aa01d7a772d9274800 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2010 / Apresenta-se neste trabalho uma análise da qualidade da energia do sistema de distribuição de uma indústria de petróleo, de modo a avaliar o impacto da instalação de conversores de frequência no que diz respeito ao fenômeno de distorção harmônica. Os dados de distorção harmônica de tensão foram coletados através de duas medições com duração de sete dias consecutivos, sendo uma realizada antes e outra depois da instalação dos conversores de frequência. Adicionalmente, um estudo computacional utilizando o PTW (Power Tools for Windows) é apresentado com o intuito de simular condições futuras de instalação de novos conversores de frequência e de avaliar a influência dos bancos de capacitores na amplificação da distorção harmônica no sistema de distribuição. / In this work, it is presented an analysis of the distribution system power quality of an oil industry in order to evaluate the impact of the installation of frequency converters regarding the harmonic distortion. The harmonic distortion data were collected through two measurements over a period of seven consecutive days, one performed before and other after the installation of frequency converters. Additionally, a computational study using PTW (Power Tools for Windows) is presented in order to simulate future conditions of new frequency converters installation and to analyse the influence of capacitor banks in the amplification of distribution system harmonic distortion.

As fontes renováveis de energia, em especial a energia solar fotovoltaica vem ganhando espaço nos últimos anos devido ao avanço da tecnologia, redução dos custos e redução das fontes não-renováveis. Os painéis fotovoltaicos isoladamente ou para pequenas aplicações geram uma baixa tensão de saída e a adequação dos níveis de tensão fornecidos em sua saída aos requeridos pela concessionária de energia elétrica é um desafio. Neste trabalho é apresentada uma nova estrutura modificada da topologia do conversor SEPIC que usa as técnicas de acoplamento magnético série e células multiplicadoras de tensão em conjunto, afim de obter um elevado ganho de tensão, visando a aplicação em fontes renováveis de energia. Optou-se pela solução não isolada, pois esta apresenta diversas vantagens em relação a solução isolada, como: menor peso, volume, custo e maior eficiência energética devido a menores perdas de potência nos indutores acoplados. Também, a utilização da indutância de dispersão, que é um parâmetro intrínseco de um acoplamento magnético, permite a operação com comutação suave ZCS (ZCS, do inglês Zero Current-Switching) no interruptor, aumentando a eficiência da estrutura com a redução das perdas por comutação. No decorrer do trabalho são realizadas as análises das etapas de operação de diversos conversores a partir do conversor SEPIC modificado, evolui-se pela adição de técnicas elevadoras de tensão até a estrutura proposta neste trabalho. Por fim, é realizado o controle em malha fechada utilizando um controlador PID analógico que fornece uma resposta rápida e consequente correção a possíveis mudanças na variável controlada. Os resultados teóricos e experimentais do conversor proposto são descritos neste trabalho para validar as análises desenvolvidas e demonstrar a eficiência da estrutura. O protótipo é desenvolvido para uma aplicação com potência nominal de 200 W, tensão nominal de saída igual a 450 V e uma tensão de entrada variando entre 20 V e 40 V. O rendimento obtido para o conversor proposto operando na frequência de 35 kHz na potência nominal é de 91,28% e eficiência igual a 89,04% para a potência nominal de 200 W na frequência de 90 kHz. / The renewable energy resources, in special the photovoltaic energy has been achieve more space in last years due to technology advances, cost reduction and decrease of the non-renewable energy sources. The photovoltaic panels in isolation or to small applications generate a low output voltage and to comply with of voltage levels provided in panel’s output to those required by electric power concessionaire is a challenge. In this work is presented a new structure modified of the SEPIC converter topology who uses the coupling magnetic series and voltage multiplier cell techniques together, in order to obtain a high voltage gain aiming at application in renewable energy resources. It was has been choosen non-isolated solution, because this present several advantages in relation to the isolated solution, such as: lower weight, volume, cost and high energy efficiency due to smaller power losses in the coupled inductors. The use leakage inductance, who is an intrinsic parameter of the a magnetic coupling, allows soft-switching operation ZCS in switch, increasing the structure’s efficiency with reduction of switching losses. During the work are perform the analysis of the operation steps of several converters as of the modified SEPIC converter and evolves by addition high voltage techniques until the structure proposed in this work. Finally, is performed the closed loop control using the analog PID controller who provides a fast response and consequent correction to possible changes in the controlled variable. The theoretical and experimental results of the proposed converter are described in this work to validate the developed analysis and demonstrate the structure’s efficiency. The prototype is developed to a application with nominal power of 200 W, nominal output voltage equal 450 V and an input voltage varying between 20 V and 40 V. The efficiency obtained to proposed converter operating in frequency of the 35 kHz in nominal power is 91,28% and efficiency equal 89,04% to nominal power in frequency of the 90 kHz.