Consumo energético e eficiência da marcha com dois modelos de joelhos protésicos: estudo de caso

Introdução – Os componentes protésicos têm um papel fundamental na eficiência energética da marcha dos indivíduos amputados. Esta é uma área de conhecimento ainda em desenvolvimento, onde a investigação desempenha um papel central. Objectivos – Comparar e analisar o efeito de dois joelhos protésicos, 3R34, monocêntrico modular, de fricção constante, com auxiliar de extensão incorporado (A) e 3R92, monocêntrico modular, com travão de fricção e controlo pneumático da fase de balanço (B) no consumo energético e eficiência da marcha. Metodologia – Um indivíduo do sexo masculino de 27 anos, com amputação transfemural longa, foi sujeito a um protocolo submáximo de avaliação da resposta ao exercício em passadeira rolante (H/P/Cosmos(R) Mercury), através de um sistema de análise de gases breath‑by‑breath (Cosmed Quark PFT Ergo). Foi efetuado o mesmo protocolo com intervalo de dois dias, primeiro utilizando o joelho A e depois o B. As variáveis analisadas foram o consumo de O2 (VO2), o equivalente metabólico (MET) e a eficiência energética da marcha (Quociente de VO2 esperado de um individuo saudável e o VO2 do individuo em estudo). O esforço percecionado foi medido com a escala RPE de Borg. Resultados – O consumo energético com o joelho A (24,2 ml O2/kg/min; 6,9 MET) foi inferior ao obtido com o joelho B (28,68 ml O2/kg/min; 8,2 MET). A eficiência energética da marcha foi mais elevada para o joelho A (43%) do que para o joelho B (39%). Conclusão – A utilização do joelho A na prótese do indivíduo em estudo resulta numa marcha de menor consumo energético e maior eficiência. No entanto, este valor poderá estar influenciado pelo curto período de adaptação ao joelho B, sendo necessários mais estudos para confirmar os resultados do estudo e a influência deste fator. ABSTRACT - Background – Prosthetic components have a crucial role in the energy efficiency of amputee’s gait. This is an area of knowledge still in development, where research plays a central role. Objective – The purpose of this case study is to compare the impact in energy consumption of two prosthetic knees, titanium single‑axis constant friction knee joint with internal extension assist, 3R34 (A) and a single‑axis pneumatic swing phase control, 3R92 (B). Methodology – The participant was a transtibial amputee, male, with 27 years old, with no other clinical or functional impairments. To measure the energy expenditure a submaximal treadmill (H/P/Cosmos(R) Mercury) exercise stress test combined with a breath‑by‑breath analysis system (Cosmed Quark PFT Ergo) was used. The same test was applied to both knees, separated by two days. The analyzed variables were O2 consumption (VO2), metabolic equivalent (MET) and gait efficiency (VO2 ratio expected from a healthy individual and the studied individual). A rate of perceived exertion (Borg’s Scale) was used. Results – The results were favorable to knee A (24.2 ml O2/kg/min; 6.9 MET, 43% efficiency) compared with knee B (28.68 ml O2/kg/min; 8.2 MET, 39% efficiency). Conclusion – In this case, a less energy consumption gait corresponds to the prosthesis with knee A. These values may be influenced by the short adaptation period with knee B, so it’s necessary to perform more studies to confirm the previous results and to understand the truly impact of correct adaptation factor to the best prosthetics components for different patients.

Direct Power Control of Matrix Converter Based Unified Power Flow Controllers

This paper presents the Direct Power Control of Three-Phase Matrix Converters (DPC-MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). Since matrix converters allow direct AC/AC power conversion without intermediate energy storage link, the resulting UPFC has reduced volume and cost, together with higher reliability. Theoretical principles of DPC-MC method are established based on an UPFC model, together with a new direct power control approach based on sliding mode control techniques. As a result, active and reactive power can be directly controlled by selection of an appropriate switching state of matrix converter. This new direct power control approach associated to matrix converters technology guarantees decoupled active and reactive power control, zero error tracking, fast response times and timely control actions. Simulation results show good performance of the proposed system.

Predictive Optimal Matrix Converter Control for a Dynamic Voltage Restorer with Flywheel Energy Storage

This paper presents a predictive optimal matrix converter controller for a flywheel energy storage system used as Dynamic Voltage Restorer (DVR). The flywheel energy storage device is based on a steel seamless tube mounted as a vertical axis flywheel to store kinetic energy. The motor/generator is a Permanent Magnet Synchronous Machine driven by the AC-AC Matrix Converter. The matrix control method uses a discrete-time model of the converter system to predict the expected values of the input and output currents for all the 27 possible vectors generated by the matrix converter. An optimal controller minimizes control errors using a weighted cost functional. The flywheel and control process was tested as a DVR to mitigate voltage sags and swells. Simulation results show that the DVR is able to compensate the critical load voltage without delays, voltage undershoots or overshoots, overcoming the input/output coupling of matrix converters.

Elaboração de cenários para o consumo energético e emissões de GEE do sector dos transportes rodoviários de Portugal: horizonte 2020

Nos tempos actuais, a problemática das alterações climáticas está muito em voga, nomeadamente no que concerne ao consumo energético e respectivas emissões atmosféricas. Relativamente a este aspecto, as emissões de gases de efeito de estufa (GEE) são um dos factores que mais contribui para esse fenómeno global, sendo o sector dos transportes, nomeadamente o modo rodoviário, um dos sectores que regista maior consumo energético e emissões de GEE devido essencialmente ao consumo de combustíveis fósseis. Neste contexto, torna-se relevante ter uma noção da importância que o transporte rodoviário tem actualmente em matéria de consumo energético e emissões, bem como uma percepção desses indicadores para um horizonte futuro através da realização de uma previsão, permitindo contribuir para a definição de estratégias que promovam uma maior sustentabilidade neste sector. Desta forma foi desenvolvida uma metodologia de cálculo para determinação do consumo energético e emissões de gases de efeito de estufa em Portugal do sector dos transportes rodoviários, nomeadamente dióxido de Carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) para o ano base de 2008, realizando-se posteriormente uma análise de âmbito estocástico destes factores para o horizonte 2020, ou seja, um estudo apoiado em diversas variáveis explicativas do consumo energético e emissões cuja quantificação futura é difícil de prever, estando por isso associadas a uma incerteza significativa. Nesta análise foi empregue um software de análise de risco (@Risk) de modo a caracterizar estatisticamente esta incerteza associada às variáveis chave do estudo.

Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

A Pitch Control Malfunction Analysis for Wind Turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator and Full-power Converters: Proportional Integral Versus Fractional-order Controllers

A transient analysis for two full-power converter wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator is studied in this article, taking into consideration, as a new contribution to earlier studies, a pitch control malfunction. The two full-power converters considered are, respectively, a two-level and a multi-level converter. Moreover, a novel control strategy based on fractional-order controllers for wind turbines is studied. Simulation results are presented; conclusions are in favor of the novel control strategy, improving the quality of the energy injected into the electric grid.

WPAC: wireless payment and access control: dispositivos móveis no pagamento de serviços e controlo de acessos

A rápida evolução dos dispositivos móveis e das tecnologias de comunicação sem fios transformou o telemóvel num poderoso dispositivo de computação móvel. A necessidade de estar sempre contactável, comum à civilização moderna, tem aumentado a dependência deste dispositivo, sendo transportado pela maioria das pessoas num ambiente urbano e assumindo um papel talvez mais importante que a própria carteira. A ubiquidade e capacidade de computação dos telemóveis aumentam o interesse no desenvolvimento de serviços móveis, além de tradicionais serviços de voz. Um telemóvel pode em breve tornar-se um elemento activo nas nossas tarefas diárias, servindo como um instrumento de pagamento e controlo de acessos, proporcionando assim novas interfaces para serviços existentes. A unificação de vários serviços num único dispositivo é um desafio que pode simplificar a nossa rotina diária e aumentar o conforto, no limite deixaremos de necessitar de dinheiro físico, cartões de crédito ou débito, chaves de residência e de veículos automóveis, ou inclusive documentos de identificação como bilhetes de identidade ou passaportes. O interesse demonstrado pelos intervenientes, desde os fabricantes de telemóveis e operadores de rede móvel até às instituições financeiras, levaram ao aparecimento de múltiplas soluções de serviços móveis. Porém estas soluções respondem geralmente a problemas específicos, apenas contemplando um fornecedor de serviços ou uma determinada operação de pagamento, como seja a compra de bilhetes ou pagamento de estacionamento. Estas soluções emergentes consistem também tipicamente em especificações fechadas e protocolos proprietários. A definição de uma arquitectura genérica, aberta interoperável e extensível é necessária para que os serviços móveis possam ser adoptados de uma forma generalizada por diferentes fornecedores de serviços e para diversos tipos de pagamento. A maior parte das soluções actuais de pagamento móvel depende de comunicações através da rede móvel, algumas utilizam o telemóvel apenas como uma interface de acesso à internet enquanto outras possibilitam o envio de um SMS (Short Message Service) para autorizar uma transacção, o que implica custos de comunicação em todas as operações de pagamento. Este custo de operação torna essas soluções inadequadas para a realização de micropagamentos e podem por isso ter uma aceitação limitada por parte dos clientes. As soluções existentes focam-se maioritariamente em pagamentos à distância, não tirando partido das características do pagamento presencial e não oferecendo por isso uma verdadeira alternativa ao modelo actual de pagamento com cartões de crédito/débito. As capacidades computacionais dos telemóveis e suporte de diversos protocolos de comunicação sem fio local não têm sido aproveitadas, vendo o telemóvel apenas como um terminal GSM (Global System for Mobile Communications) e não oferecendo serviços adicionais como seja a avaliação dinâmica de risco ou controlo de despesas. Esta dissertação propõe e valida, através de um demonstrador, uma aquitectua aberta para o pagamento e controlo de acesso baseado em dispositivos móveis, intitulada WPAC (Wireless Payment and Access Control). Para chegar à solução apresentada foram estudadas outras soluções de pagamento, desde o aparecimento dos cartões de débito até a era de pagamentos electrónicos móveis, passando pelas soluções de pagamento através da internet. As capacidades dos dispositivos móveis, designadamente os telemóveis, e tecnologias de comunicação sem fios foram também analisadas a fim de determinar o estado tecnológico actual. A arquitectura WPAC utiliza padrões de desenho utilizados pela indústria em soluções de sucesso, a utilização de padrões testados e a reutilização de soluções com provas dadas permite aumentar a confiança nesta solução, um destes exemplos é a utilização de uma infra-estrutura de chave pública para o estabelecimento de um canal de comunicação seguro. Esta especificação é uma arquitectura orientada aos serviços que utiliza os Web Services para a definição do contracto do serviço de pagamento. A viabilidade da solução na orquestração de um conjunto de tecnologias e a prova de conceito de novas abordagens é alcançada com a construção de um protótipo e a realização de testes. A arquitectura WPAC possibilita a realização de pagamentos móveis presenciais, isto é, junto do fornecedor de bens ou serviços, seguindo o modelo de pagamento com cartões de crédito/débito no que diz respeito aos intervenientes e relações entre eles. Esta especificação inclui como aspecto inovador a avaliação dinâmica de risco, que utiliza o valor do pagamento, a existência de pagamentos frequentes num período curto de tempo, e a data, hora e local do pagamento como factores de risco; solicitando ao cliente o conjunto de credenciais adequado ao risco avaliado, desde códigos pessoais a dados biométricos. É também apresentada uma alternativa ao processo normal de pagamento, que apesar de menos cómoda permite efectuar pagamentos quando não é possível estabelecer um canal de comunicação sem fios, aumentando assim a tolerância a falhas. Esta solução não implica custos de operação para o cliente na comunicação com o ponto de venda do comerciante, que é realizada através de tecnologias de comunicação local sem fios, pode ser necessária a comunicação através da rede móvel com o emissor do agente de pagamento para a actualização do agente de software ou de dados de segurança, mas essas transmissões são ocasionais. O modelo de segurança recorre a certificados para autenticação dos intervenientes e a uma infra-estrutura de chave pública para cifra e assinatura de mensagens. Os dados de segurança incluídos no agente de software móvel, para desabilitar a cópia ou corrupção da aplicação mas também para a comparação com as credenciais inseridas pelo cliente, devem igualmente ser encriptados e assinados de forma a garantir a sua confidencialidade e integridade. A arquitectura de pagamento utiliza o standard de Web Services, que é amplamente conhecido, aberto e interoperável, para definição do serviço de pagamento. Existem extensões à especificação de Web Services relativas à segurança que permitem trocar itens de segurança e definem o modo de cifra e assinatura de mensagens, possibilitando assim a sua utilização em aplicações que necessitem de segurança como é o caso de serviços de pagamento e controlo de acesso. O contracto de um Web Service define o modo de invocação dos serviços, transmissão de informação e representação de dados, sendo normalmente utilizado o protocolo SOAP que na prática não é mais que um protocolo de troca de mansagens XML (eXtensible Markup Language). O envio e recepção de mensagens XML; ou seja, a transmissão de simples sequências de caracteres, é suportado pela maioria dos protocolos de comunicação, sendo portanto uma solução abrangente que permite a adopção de diversas tecnologias de comunicação sem fios. O protótipo inclui um agente de software móvel, implementado sobre a forma de uma MIDlet, aplicação Java para dispositivos móveis, que implementa o protocolo de pagamento comunicando sobre uma ligação Bluetooth com o ponto de venda do comerciante, simulado por uma aplicação desenvolvida sobre a plataforma .NET e que por isso faz prova da heterogeneidade da solução. A comunicação entre o comerciante e o seu banco para autorização do pagamento e transferência monetária utiliza o protocolo existente para a autorização de pagamentos, com base em cartões de crédito/débito. A definição desta especificação aberta e genérica em conjunto com o forte interesse demonstrado pelos intervenientes, proporciona uma boa perspectiva em termos de adopção da solução, o que pode impulsionar a implementação de serviços móveis e dessa forma simplificar as rotinas diárias das pessoas. Soluções móveis de pagamento reduzem a necessidade de transportar vários cartões de crédito/débito na nossa carteira. A avaliação dinâmica de risco permite aumentar a segurança dos pagamentos, com a solicitação de mais credenciais ao cliente para pagamentos com um maior risco associado, sendo um ponto importante quer para os clientes quer para as instituições financeiras pois diminui o risco de fraude e aumenta a confiança no sistema. Esta solução de pagamento electrónico pode também facilitar a consulta de pagamentos efectuados e saldos, mantendo um histórico dos movimentos, o que não é possível nos cartões de crédito/débito sem uma visita a uma ATM (Automated Teller Machine) ou utilização de homebanking.

O impacto energético e as emissões de CO2 dos veículos eléctricos em Portugal

Para a diminuição da dependência energética de Portugal face às importações de energia, a Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) define uma aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, na promoção da eficiência energética tanto nos edifícios como nos transportes com vista a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. No campo da eficiência energética, o ENE 2020 pretende obter uma poupança energética de 9,8% face a valores de 2008, traduzindo-se em perto de 1800 milhões de tep já em 2015. Uma das medidas passa pela aposta na mobilidade eléctrica, onde se prevê que os veículos eléctricos possam contribuir significativamente para a redução do consumo de combustível e por conseguinte, para a redução das emissões de CO2 para a atmosfera. No entanto, esta redução está condicionada pelas fontes de energia utilizadas para o abastecimento das baterias. Neste estudo foram determinados os consumos de combustível e as emissões de CO2 de um veículo de combustão interna adimensional representativo do parque automóvel. É também estimada a previsão de crescimento do parque automóvel num cenário "Business-as-Usual", através dos métodos de previsão tecnológica para o horizonte 2010-2030, bem como cenários de penetração de veículos eléctricos para o mesmo período com base no método de Fisher- Pry. É ainda analisado o impacto que a introdução dos veículos eléctricos tem ao nível dos consumos de combustível, das emissões de dióxido de carbono e qual o impacto que tal medida terá na rede eléctrica, nomeadamente no diagrama de carga e no nível de emissões de CO2 do Sistema Electroprodutor Nacional. Por fim, é avaliado o impacto dos veículos eléctricos no diagrama de carga diário português, com base em vários perfis de carga das baterias. A introdução de veículos eléctricos em Portugal terá pouca expressão dado que, no melhor dos cenários haverão somente cerca de 85 mil unidades em circulação, no ano de 2030. Ao nível do consumo de combustíveis rodoviários, os veículos eléctricos poderão vir a reduzir o consumo de gasolina até 0,52% e até 0,27% no consumo de diesel, entre 2010 e 2030, contribuindo ligeiramente uma menor dependência energética externa. Ao nível do consumo eléctrico, o abastecimento das baterias dos veículos eléctricos representará até 0,5% do consumo eléctrico total, sendo que parte desse abastecimento será garantido através de centrais de ciclo combinado a gás natural. Apesar da maior utilização deste tipo de centrais térmicas para produção de energia, tanto para abastecimento das viaturas eléctricas, como para o consumo em geral, verifica-se que em 2030, o nível de emissões do sistema electroprodutor será cerca de 46% inferior aos níveis registados em 2010, prevendo-se que atinja as 0,163gCO2/kWh produzido pelo Sistema Electroprodutor Nacional devido à maior quota de produção das fontes de energia renovável, como o vento, a hídrica ou a solar.

Sistema de contagem de tráfego e classificação automática de veículos, em tempo real e sem fios

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliação de um sistema de contagem e classificação de veículos automóveis em tempo-real e sem fios. Pretende, também, ser uma alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodoviárias. Esta tese inclui um estudo sobre as comunicações sem fios adequadas a uma rede de equipamentos sensores rodoviários, um estudo sobre a utilização do campo magnético como meio físico de detecção e contagem de veículos e um estudo sobre a autonomia energética dos equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, à energia solar. O projecto realizado no âmbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalização em tempo real da assinatura magnética deixada pela passagem de um veículo, no campo magnético da Terra, o respectivo envio para servidor via rádio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicações para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o equipamento sensor incorpora ciclos de detecção e digitalização, com pausas de adormecimento de baixo consumo, e a activação das comunicações rádio durante a fase de envio, assegurando assim uma estratégia de poupança energética. Os resultados obtidos confirmam a viabilidade desta tecnologia para a detecção e contagem de veículos, assim como para a captura de assinatura usando magnetoresistências. Permitiram ainda verificar o alcance das comunicações sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e confirmar o modelo de cálculo da superfície do painel solar bem como o modelo de consumo energético do equipamento sensor.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.

RFID together with multi-agent systems to control global value chains

Nowadays, the cooperative intelligent transport systems are part of a largest system. Transportations are modal operations integrated in logistics and, logistics is the main process of the supply chain management. The supply chain strategic management as a simultaneous local and global value chain is a collaborative/cooperative organization of stakeholders, many times in co-opetition, to perform a service to the customers respecting the time, place, price and quality levels. The transportation, like other logistics operations must add value, which is achieved in this case through compression lead times and order fulfillments. The complex supplier's network and the distribution channels must be efficient and the integral visibility (monitoring and tracing) of supply chain is a significant source of competitive advantage. Nowadays, the competition is not discussed between companies but among supply chains. This paper aims to evidence the current and emerging manufacturing and logistics system challenges as a new field of opportunities for the automation and control systems research community. Furthermore, the paper forecasts the use of radio frequency identification (RFID) technologies integrated into an information and communication technologies (ICT) framework based on distributed artificial intelligence (DAI) supported by a multi-agent system (MAS), as the most value advantage of supply chain management (SCM) in a cooperative intelligent logistics systems. Logistical platforms (production or distribution) as nodes of added value of supplying and distribution networks are proposed as critical points of the visibility of the inventory, where these technological needs are more evident.

Power Electronics Didactic Modules for Direct Current Machine Control

Several didactic modules for an electric machinery laboratory are presented. The modules are dedicated for DC machinery control and get their characteristic curves. The didactic modules have a front panel with power and signal connectors and can be configurable for any DC motor type. The three-phase bridge inverter proposed is one of the most popular topologies and is commercially available in power package modules. The control techniques and power drives were designed to satisfy static and dynamic performance of DC machines. Each power section is internally self-protected against misconnections and short-circuits. Isolated output signals of current and voltage measurements are also provided, adding versatility for use either in didactic or research applications. The implementation of such modules allowed experimental confirmation of the expected performance.

The impact of family control on firm's return

Family firm is a field of growing interest. The aim of this article is to understand whether CEOs identity impacts family firm’s stock returns. From a sample of Portuguese and Spanish family firms findings show that who manages the firms result in significantly different risk exposure. Moreover, we find that the abnormal return found by Fahlenbrach (2009) to founder-controlled firms disappear when we use valueweighted portfolios and include two new factors: market aggregate illiquidity and debt intensity to the four-factor Carhart model. Finally, our results explain why the majority of family firm is controlled by its founder.

Desempenho energético de equipamentos escolares do ensino básico: aplicação a equipamentos escolares do concelho do Seixal

O trabalho de projecto desenvolvido tem por objectivo a análise do desempenho energético de estabelecimentos escolares do ensino básico em funcionamento. Para este trabalho foram considerados 2 estabelecimentos escolares tipo, face ao universo dos estabelecimentos da mesma natureza: um estabelecimento pré-escolar e um do ensino básico, considerando-se por comparação os restantes estabelecimentos escolares. Este projecto compreende, essencialmente, duas componentes: - o levantamento dos estabelecimentos escolares em causa, nomeadamente no que respeita aos seus elementos construtivos e às suas características de comportamento térmico face à legislação em vigor; - propor novas soluções construtivas que melhorem termicamente os edifícios tendo em vista a redução da factura energética, avaliando em qualquer dos casos os custos dessas intervenções. Com base neste estudo, e considerando os cálculos efectuados dos edifícios “tipo”, poderemos avaliar, através de extrapolações, os resultados previsíveis para os restantes edifícios existentes, nomeadamente das mesmas tipologias, e locais onde se inserem. Faz também parte deste estudo uma análise das condições de temperatura e humidade relativa do ar no interior dos estabelecimentos escolares em causa, com registos efectuados no local por equipamentos apropriados. Por último, apresentam-se as principais conclusões e as perspectivas para o desenvolvimento de trabalhos futuros.