Detection and diagnosis solutions for fault-tolerant VSI

This paper presents solutions for fault detection and diagnosis of two-level, three phase voltage-source inverter (VSI) topologies with IGBT devices. The proposed solutions combine redundant standby VSI structures and contactors (or relays) to improve the fault-tolerant capabilities of power electronics in applications with safety requirements. The suitable combination of these elements gives the inverter the ability to maintain energy processing in the occurrence of several failure modes, including short-circuit in IGBT devices, thus extending its reliability and availability. A survey of previously developed fault-tolerant VSI structures and several aspects of failure modes, detection and isolation mechanisms within VSI is first discussed. Hardware solutions for the protection of power semiconductors with fault detection and diagnosis mechanisms are then proposed to provide conditions to isolate and replace damaged power devices (or branches) in real time. Experimental results from a prototype are included to validate the proposed solutions.

Inverse dynamics based predictive control for unified power flow controllers without DC bus

This paper presents a new predictive digital control method applied to Matrix Converters (MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). This control method, based on the inverse dynamics model equations of the MC operating as UPFC, just needs to compute the optimal control vector once in each control cycle, in contrast to direct dynamics predictive methods that needs 27 vector calculations. The theoretical principles of the inverse dynamics power flow predictive control of the MC based UPFC with input filter are established. The proposed inverse dynamics predictive power control method is tested using Matlab/Simulink Power Systems toolbox and the obtained results show that the designed power controllers guarantees decoupled active and reactive power control, zero error tracking, fast response times and an overall good dynamic and steady-state response.

PV system modeling by five parameters and in Situ test

This paper focuses on a novel formalization for assessing the five parameter modeling of a photovoltaic cell. An optimization procedure is used as a feasibility problem to find the parameters tuned at the open circuit, maximum power, and short circuit points in order to assess the data needed for plotting the I-V curve. A comparison with experimental results is presented for two monocrystalline PV modules.

Simulation of offshore wind system with two levels converters: HVDC power transmission

A new integrated mathematical model for the simulation of offshore wind energy conversion system performance is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed turbine in deep water equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power two-level converter, converting the energy of a variable frequency source in injected energy into the electric network with constant frequency, through a high voltage DC transmission submarine cable. The mathematical model for the drive train is a concentrate two mass model which incorporates the dynamic for the structure and tower due to the need to emulate the effects of the moving surface. Controller strategy considered is a proportional integral one. Also, pulse width modulation using space vector modulation supplemented with sliding mode is used for trigger the transistor of the converter. Finally, a case study is presented to access the system performance. © 2014 IEEE.

Spinning reserve and emission unit commitment through stochastic optimization

This paper proposes a stochastic mixed-integer linear approach to deal with a short-term unit commitment problem with uncertainty on a deregulated electricity market that includes day-ahead bidding and bilateral contracts. The proposed approach considers the typically operation constraints on the thermal units and a spinning reserve. The uncertainty is due to the electricity prices, which are modeled by a scenario set, allowing an acceptable computation. Moreover, emission allowances are considered in a manner to allow for the consideration of environmental constraints. A case study to illustrate the usefulness of the proposed approach is presented and an assessment of the cost for the spinning reserve is obtained by a comparison between the situation with and without spinning reserve.

Simulation of a-Si PV system grid connected by boost and inverter

This paper is about a PV system connected to the electric grid by power electronic converters, using classical PI controller. The modelling for the converters emulates the association of a DC-DC boost with a two-level power inverter (TwLI) or three-level power inverter (ThLI) in order to follow the performance of a testing experimental system. Pulse width modulation (PWMo) by sliding mode control (SMCo) associated with space vector modulation (SVMo) is applied to the boost and the inverter. The PV system is described by the five parameters equivalent circuit. Parameter identification and simulation studies are performed for comparison with the testing experimental system.

On the Problem of Balancing the DC Capacitor Voltage Divider in Back-to-Back Multilevel Converters

This paper presents a new generalized solution for DC bus capacitors voltage balancing in back-to-back m level diode-clamped multilevel converters connecting AC networks. The solution is based on the DC bus average power flow and exploits the switching configuration redundancies. The proposed balancing solution is particularized for the back-to-back multilevel structure with m=5 levels. This back-to-back converter is studied working with bidirectional power flow, connecting an induction machine to the power grid.

Protecção contra descargas atmosféricas: aplicação informática de identificação das vulnerabilidades das edificações e de apoio à concepção da protecção

A concepção de instalações eléctricas deve garantir condições de segurança para as pessoas e equipamentos. Para tal é exigida, quer por força de regulamentação ou de normalização, a instalação de dispositivos que garantam a detecção e a protecção contra os defeitos mais comuns nas instalações eléctricas como, por exemplo, as sobreintensidades e as sobretensões. Susceptíveis de criar sobretensões perigosas nas instalações eléctricas, as descargas atmosféricas podem ainda causar danos estruturais elevados, o que, em algumas actividades económicas, torna fundamental a implementação de medidas de protecção contra este fenómeno natural. A protecção contra descargas atmosféricas directas consiste em identificar as vulnerabilidades das estruturas e, nesses locais, implementar dispositivos de captura, direccionamento e escoamento da descarga atmosférica à terra, em condições de segurança. O presente trabalho, desenvolvido no âmbito da dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica, visa desenvolver e implementar uma ferramenta computacional, baseada em programas de desenho assistido por computador (CAD) de utilização corrente na área de projecto de arquitectura e de engenharia, que permita, no âmbito de normas internacionais, a análise e implementação de sistemas de protecção em edifícios contra descargas atmosféricas de uma forma rápida e expedita. Baseado num programa CAD 3D, que permite a modelização tridimensional das estruturas a proteger, a ferramenta desenvolvida tentará identificar as suas vulnerabilidades das estruturas às descargas atmosféricas directas, com o intuito de implementar as medidas de protecção mais adequadas do ponto de vista técnico económico. Prevê-se que a ferramenta resultante deste estudo, o Simulador do Modelo Electrogeométrico (SIMODEL), possibilite aos projectistas e particularmente aos alunos das unidades curriculares na área do projecto de instalações eléctricas da Área Departamental de Engenharia de Sistemas e Potencia e Automação (ADESPA) do ISEL, estudar e implementar sistemas de protecção contra descargas atmosféricas (SPDA) baseados na normalização internacional do CENELEC e da IEC, nomeadamente as normas da série 62305.

Análise dos métodos de medição dos parâmetros geométricos de via e correlação entre os dados obtidos

A razão atribuída à escolha do tema do T.F.M. em Caminhos-de-ferro, tem a ver com o facto de ser uma via de comunicação específica. Contrariamente ao que acontece na execução de auto-estradas, no caminho-de-ferro, a gestora da infra-estrutura responsabiliza-se pela execução, exploração (sinalização e controlo de circulação), abastecimento de energia fornecida às vias que dispõem de catenária (tracção eléctrica), manutenção e conservação da via. O processo de análise e inspecção de geometria de via, é usado quando e necessário preservar a infra-estrutura. Este processo iniciou-se nos caminhos-de-ferro portugueses, há muitos anos, depois da inauguração do primeiro troco de linha férrea. A primeira viagem ocorre em Outubro de 1856, sendo o início do processo em 1968, com a dresina “Matisa PV-6”. Em 1991 a C.P. adquiriu outro veículo de inspecção de via, tendo sido escolhido o VIV02 EM 120 da marca Plasser & Theurer, para substituir “Matisa PV-6”. O tema Análise dos Métodos de Medição dos Parâmetros Geométricos de Via e Correlação entre os Dados Obtidos está directamente relacionado com a manutenção e conservação de via. Na Unidade Operacional Sul (hoje ROS – Região Operacional Sul), local onde desenvolvi o T.F.M., não existem obras de construção de caminhos-de-ferro que pudesse acompanhar e constituir tema para o meu trabalho. Na realidade, com a falta de investimento que se perspectiva no futuro próximo, a manutenção da infra-estrutura passa a ser a actividade principal desenvolvida pela REFER, de modo a assegurar a comodidade, segurança e rapidez na deslocação de cargas e pessoas. A Analise Geométrica de Via e actualmente uma das principais actividades no âmbito da manutenção, que é feita por diagnóstico, contrariamente ao que acontecia no passado em que a conservação metódica era realizada num determinado ano num troço seleccionado independentemente da necessidade ou não da mesma. Uma ajuda preciosa, no que se refere à decisão de se realizar um determinado trabalho de conservação, e a do veículo VIV02 EM 120 que faz inspeções ao longo de toda a rede ferroviária e permite recolher dados e classificar através do desvio padrão, troços com extensão de 200 metros, obtendo os dados relevantes sobre a necessidade de intervenção. Para além do referido veículo existem também equipamentos ligeiros de inspecção dos parâmetros geométricos de via. Um desses equipamentos designa-se por Trólei, não sendo motorizado, pois o mesmo é movido manualmente por um operador. Obviamente que este equipamento não faz a inspecção a toda a rede pois a operação de medição é morosa, sendo contudo utilizado para análise de defeitos geométricos em pequenos trocos, tornando-se assim uma mais-valia, evitando o deslocar de um equipamento “pesado” como o VIV 02 EM 120. Para atingir os objectivos deste trabalho realizaram-se testes de medição com ambos (veiculo e equipamento ligeiro), no mesmo espaço temporal e com as mesmas características físicas, como a temperatura, humidade etc. Os resultados, de acordo com os objectivos, são a comparação entre as medições de ambos, com vista a comprovar a sua utilidade e necessidade, de acordo com os vários tipos de superstruturas constituintes da rede ferroviária nacional.

Acompanhamento dos trabalhos de construção de um hotel SANAHotels Amoreiras

Este trabalho final de mestrado baseou-se no acompanhamento da construção do hotel SANA Amoreiras, situado na Avenida Duarte Pacheco nº 12. O empreiteiro geral foi a empresa FDO Construções. Existindo também uma equipa de fiscalização, LMSA, contratada pelo Dono de Obra de forma a efectuar todo o controlo de qualidade. O TFM baseou-se no estágio efectuado para o Dono de obra do hotel onde fui devidamente acompanhada por uma engenheira, orientadora de estágio, que acompanhou de perto o desempenho da minha actividade. Esta função teve como objectivos a gestão de projecto de hotel, interligação entre projectistas e empreiteiro geral, bem prestar o devido acompanhamento de todos trabalhos a realizar. Acompanhei a realização de dois quartos modelo onde o objectivo do Dono de Obra foi testar as diversas soluções ao nível de revestimentos, sanitários, iluminação, mobiliário, decoração e outras soluções de arquitectura, soluções estas a implementar no hotel. Acompanhei também a realização de reuniões de compatibilização e coordenação de todos os projectos de especialidades com o projecto de arquitectura, nomeadamente Avac, Instalações eléctricas, Comunicações, Segurança, Águas, Esgotos, Gás, Incêndio, Cozinhas de forma a ser possível efectuar consultas aos empreiteiros e adjudicar todas estas empreitadas. Foi efectuada uma abordagem à descrição do hotel, suas características, indicação das razões que levaram à sua construção e descrição das várias empreitadas de construção realizadas até então, tal como, demolição, escavação, estrutura, acabamentos e especialidades.

Otimização de sistema de absorção, com coletores solares, para refrigeração de espaços condicionados termicamente (a chiller)

Nos dias que correm questões ambientais e considerações energéticas obrigam a uma inovação constante na procura de soluções de baixo consumo energético e de impacto ambiental baixo, nomeadamente no que diz respeito aos sistemas de climatização e refrigeração. Têm vindo a ser criadas medidas, tanto a nível internacional como nacional, no sentido de reduzir as emissões nocivas para a atmosfera, consequência do excessivo consumo de combustíveis fósseis, e do aumento da rentabilidade da energia e maior utilização de energias renováveis. O presente estudo de dimensionamento de um sistema de absorção, a brometo de lítio/água, com coletores solares, tem por base o sistema de compressão existente num edifício de serviços no centro de Lisboa. Foi efetuada uma analise simplificada dos seus dados de consumo energético, de maneira a verificar a viabilidade económica da substituição do equipamento existente e instalação de um sistema de coletores solares. Concluiu-se que a substituição do equipamento e a instalação de coletores solar, não é atrativa do ponto de vista económico, nesta solução em particular. Contudo, verifica-se uma considerável redução do impacto ambiental do consumo energético do edifício.

Fast optimum-predictive control and capacitor voltage balancing strategy for bipolar back-to-back NPC converters in high-voltage direct current transmission systems

Multilevel power converters have been introduced as the solution for high-power high-voltage switching applications where they have well-known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral point diode clamped converters (NPC converter) have been used inhigh-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar-connected back-to-back NPC converters have advantages in long-distance HVDCtransmission systems over the full back-to-back connection, but greater difficulty to balance the dc capacitor voltage divider on both sending and receiving end NPC converters. This study shows that power flow control and dc capacitor voltage balancing are feasible using fast optimum-predictive-based controllers in HVDC systems using bipolar back-to-back-connected five-level NPC multilevel converters. For both converter sides, the control strategytakes in account active and reactive power, which establishes ac grid currents in both ends, and guarantees the balancing of dc bus capacitor voltages inboth NPC converters. Additionally, the semiconductor switching frequency is minimised to reduce switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy, and its capability to solve the DC capacitor voltage balancing problem of bipolar-connected back-to-back NPCconverters are evaluated.

A Sensorless PMDC Motor Speed Controller with a Logical Overcurrent Protection

A method to control the speed or the torque of a permanent-magnet direct current motor is presented. The rotor speed and the external torque estimation are simultaneously provided by appropriate observers. The sensorless control scheme is based on current measurement and switching states of power devices. The observer’s performances are dependent on the accurate machine parameters knowledge. Sliding mode control approach was adopted for drive control, providing the suitable switching states to the chopper power devices. Despite the predictable chattering, a convenient first order switching function was considered enough to define the sliding surface and to correspond with the desired control specifications and drive performance. The experimental implementation was supported on a single dsPIC and the controller includes a logic overcurrent protection.

Occupational exposure to particulate matter and respiratory symptoms in Portuguese swine barn workers

Certain environmental conditions in animal and plant production have been associated with increased frequency in respiratory illnesses, including asthma, chronic bronchitis, and hypersensitivity pneumonitis, in farmers occupationally exposed in swine production. The aim of this study was to characterize particulate matter (PM) contamination in seven Portuguese swine farms and determine the existence of clinical symptoms associated with asthma and other allergy diseases, utilizing the European Community Respiratory Health Survey questionnaire. Environmental assessments were performed with portable direct-reading equipment, and PM contamination including five different sizes (PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM5.0, PM10) was determined. The distribution of particle size showed the same trend in all swine farms, with high concentrations of particles with PM5 and PM10. Results from the questionnaire indicated a trend such that subjects with diagnosis of asthma were exposed to higher concentrations of PM with larger size (PM2.5, PM5, and PM10) while subjects with sneezing, runny nose, or stuffy nose without a cold or flu were exposed to higher concentrations of PM with smaller size (PM0.5 and PM1). Data indicate that inhalation of PM in swine farm workers is associated with increased frequency of respiratory illnesses.

Estudo e otimização de uma pilha de combustível de pequena potência (10W) e sua integração em equipamento portátil

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica