State detection of bond wires in IGBT modules using eddy current pulsed thermography

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules are important safety critical components in electrical power systems. Bond wire lift-off, a plastic deformation between wire bond and adjacent layers of a device caused by repeated power/thermal cycles, is the most common failure mechanism in IGBT modules. For the early detection and characterization of such failures, it is important to constantly detect or monitor the health state of IGBT modules, and the state of bond wires in particular. This paper introduces eddy current pulsed thermography (ECPT), a nondestructive evaluation technique, for the state detection and characterization of bond wire lift-off in IGBT modules. After the introduction of the experimental ECPT system, numerical simulation work is reported. The presented simulations are based on the 3-D electromagnetic-thermal coupling finite-element method and analyze transient temperature distribution within the bond wires. This paper illustrates the thermal patterns of bond wires using inductive heating with different wire statuses (lifted-off or well bonded) under two excitation conditions: nonuniform and uniform magnetic field excitations. Experimental results show that uniform excitation of healthy bonding wires, using a Helmholtz coil, provides the same eddy currents on each, while different eddy currents are seen on faulty wires. Both experimental and numerical results show that ECPT can be used for the detection and characterization of bond wires in power semiconductors through the analysis of the transient heating patterns of the wires. The main impact of this paper is that it is the first time electromagnetic induction thermography, so-called ECPT, has been employed on power/electronic devices. Because of its capability of contactless inspection of multiple wires in a single pass, and as such it opens a wide field of investigation in power/electronic devices for failure detection, performance characterization, and health monitoring. 

Thermography-based virtual MPPT scheme for improving PV energy efficiency under partial shading conditions

This paper proposes a new thermography-based maximum power point tracking (MPPT) scheme to address photovoltaic (PV) partial shading faults. Solar power generation utilizes a large number of PV cells connected in series and in parallel in an array, and that are physically distributed across a large field. When a PV module is faulted or partial shading occurs, the PV system sees a nonuniform distribution of generated electrical power and thermal profile, and the generation of multiple maximum power points (MPPs). If left untreated, this reduces the overall power generation and severe faults may propagate, resulting in damage to the system. In this paper, a thermal camera is employed for fault detection and a new MPPT scheme is developed to alter the operating point to match an optimized MPP. Extensive data mining is conducted on the images from the thermal camera in order to locate global MPPs. Based on this, a virtual MPPT is set out to find the global MPP. This can reduce MPPT time and be used to calculate the MPP reference voltage. Finally, the proposed methodology is experimentally implemented and validated by tests on a 600-W PV array. 

An Architecture of a Multi-Agent System for SCADA - Dealing With Uncertainty, Plans and Actions

This paper presents a multi-agent system approach to address the difficulties encountered in traditional SCADA systems deployed in critical environments such as electrical power generation, transmission and distribution. The approach models uncertainty and combines multiple sources of uncertain information to deliver robust plan selection. We examine the approach in the context of a simplified power supply/demand scenario using a residential grid connected solar system and consider the challenges of modelling and reasoning with
uncertain sensor information in this environment. We discuss examples of plans and actions required for sensing, establish and discuss the effect of uncertainty on such systems and investigate different uncertainty theories and how they can fuse uncertain information from multiple sources for effective decision making in
such a complex system.

A hybrid harmony search with arithmetic crossover operation for economic dispatch

Economic dispatch (ED) problems often exhibit non-linear, non-convex characteristics due to the valve point effects. Further, various constraints and factors, such as prohibited operation zones, ramp rate limits and security constraints imposed by the generating units, and power loss in transmission make it even more challenging to obtain the global optimum using conventional mathematical methods. Meta-heuristic approaches are capable of solving non-linear, non-continuous and non-convex problems effectively as they impose no requirements on the optimization problems. However, most methods reported so far mainly focus on a specific type of ED problems, such as static or dynamic ED problems. This paper proposes a hybrid harmony search with arithmetic crossover operation, namely ACHS, for solving five different types of ED problems, including static ED with valve point effects, ED with prohibited operating zones, ED considering multiple fuel cells, combined heat and power ED, and dynamic ED. In this proposed ACHS, the global best information and arithmetic crossover are used to update the newly generated solution and speed up the convergence, which contributes to the algorithm exploitation capability. To balance the exploitation and exploration capabilities, the opposition based learning (OBL) strategy is employed to enhance the diversity of solutions. Further, four commonly used crossover operators are also investigated, and the arithmetic crossover shows its efficiency than the others when they are incorporated into HS. To make a comprehensive study on its scalability, ACHS is first tested on a group of benchmark functions with a 100 dimensions and compared with several state-of-the-art methods. Then it is used to solve seven different ED cases and compared with the results reported in literatures. All the results confirm the superiority of the ACHS for different optimization problems.

An efficient harmony search with new pitch adjustment for dynamic economic dispatch

A simple yet efficient harmony search (HS) method with a new pitch adjustment rule (NPAHS) is proposed for dynamic economic dispatch (DED) of electrical power systems, a large-scale non-linear real time optimization problem imposed by a number of complex constraints. The new pitch adjustment rule is based on the perturbation information and the mean value of the harmony memory, which is simple to implement and helps to enhance solution quality and convergence speed. A new constraint handling technique is also developed to effectively handle various constraints in the DED problem, and the violation of ramp rate limits between the first and last scheduling intervals that is often ignored by existing approaches for DED problems is effectively eliminated. To validate the effectiveness, the NPAHS is first tested on 10 popular benchmark functions with 100 dimensions, in comparison with four HS variants and five state-of-the-art evolutionary algorithms. Then, NPAHS is used to solve three 24-h DED systems with 5, 15 and 54 units, which consider the valve point effects, transmission loss, emission and prohibited operating zones. Simulation results on all these systems show the scalability and superiority of the proposed NPAHS on various large scale problems.

Real-Time Multiple Event Detection and Classification Using Moving Window PCA

This paper proposes a method for the detection and classification of multiple events in an electrical power system in real-time, namely; islanding, high frequency events (loss of load) and low frequency events (loss of generation). This method is based on principal component analysis of frequency measurements and employs a moving window approach to combat the time-varying nature of power systems, thereby increasing overall situational awareness of the power system. Numerical case studies using both real data, collected from the UK power system, and simulated case studies, constructed using DigSilent PowerFactory, for islanding events, as well as both loss of load and generation dip events, are used to demonstrate the reliability of the proposed method.

Optimal methodology for distribution systems reconfiguration based on OPF and solved by decomposition technique

This paper presents a new and efficient methodology for distribution network reconfiguration integrated with optimal power flow (OPF) based on a Benders decomposition approach. The objective minimizes power losses, balancing load among feeders and subject to constraints: capacity limit of branches, minimum and maximum power limits of substations or distributed generators, minimum deviation of bus voltages and radial optimal operation of networks. The Generalized Benders decomposition algorithm is applied to solve the problem. The formulation can be embedded under two stages; the first one is the Master problem and is formulated as a mixed integer non-linear programming problem. This stage determines the radial topology of the distribution network. The second stage is the Slave problem and is formulated as a non-linear programming problem. This stage is used to determine the feasibility of the Master problem solution by means of an OPF and provides information to formulate the linear Benders cuts that connect both problems. The model is programmed in GAMS. The effectiveness of the proposal is demonstrated through two examples extracted from the literature.

Análise do transporte ferroviário de mercadorias associado à problemática da diferença de bitola entre linhas da rede ferroviária: estudo do caso prático: ligação do porto de Aveiro ao corredor internacional de mercadorias E-80

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

Retificador monofásico com fator de potência quase unitário

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Multilayer Perceptron Neural Networks Training Through Charged System Search and its Application for Non-Technical Losses Detection

The non-technical loss is not a problem with trivial solution or regional character and its minimization represents the guarantee of investments in product quality and maintenance of power systems, introduced by a competitive environment after the period of privatization in the national scene. In this paper, we show how to improve the training phase of a neural network-based classifier using a recently proposed meta-heuristic technique called Charged System Search, which is based on the interactions between electrically charged particles. The experiments were carried out in the context of non-technical loss in power distribution systems in a dataset obtained from a Brazilian electrical power company, and have demonstrated the robustness of the proposed technique against with several others natureinspired optimization techniques for training neural networks. Thus, it is possible to improve some applications on Smart Grids.

Reformulação de um Sistema de Gestão de Consumos de Energia

Atualmente a energia é considerada um vetor estratégico nas diversas organizações. Assim sendo, a gestão e a utilização racional da energia são consideradas instrumentos fundamentais para a redução dos consumos associados aos processos de produção do sector industrial. As ações de gestão energética não deverão ficar pela fase do projeto das instalações e dos meios de produção, mas sim acompanhar a atividade da Empresa. A gestão da energia deve ser sustentada com base na realização regular de diagnósticos energéticos às instalações consumidoras e concretizada através de planos de atuação e de investimento que apresentem como principal objetivo a promoção da eficiência energética, conduzindo assim à redução dos respetivos consumos e, consequentemente, à redução da fatura energética. Neste contexto, a utilização de ferramentas de apoio à gestão de energia promovem um consumo energético mais racional, ou seja, promovem a eficiência energética e é neste sentido que se insere este trabalho. O presente trabalho foi desenvolvido na Empresa RAR Açúcar e apresentou como principais objetivos: a reformulação do Sistema de Gestão de Consumos de Energia da Empresa, a criação de um modelo quantitativo que permitisse ao Gestor de Energia prever os consumos anuais de água, fuelóleo e eletricidade da Refinaria e a elaboração de um plano de consumos para o ano de 2014 a partir do modelo criado. A reformulação do respetivo Sistema de Gestão de Consumos resultou de um conjunto de etapas. Numa primeira fase foi necessário efetuar uma caraterização e uma análise do atual Sistema de Gestão de Consumos da Empresa, sistema composto por um conjunto de sete ficheiros de cálculo do programa Microsoft Excel©. Terminada a análise, selecionada a informação pertinente e propostas todas as melhorias a introduzir nos ficheiros, procedeu-se à reformulação do respetivo SGE, reduzindo-se o conjunto de ficheiros de cálculo para apenas dois ficheiros, um onde serão efetuados e visualizados todos os registos e outro onde serão realizados os cálculos necessários para o controlo energético da Empresa. O novo Sistema de Gestão de Consumos de Energia será implementado no início do ano de 2015. Relativamente às alterações propostas para as folhas de registos manuais, estas já foram implementadas pela Empresa. Esta aplicação prática mostrou-se bastante eficiente uma vez que permitiu grandes melhorias processuais nomeadamente, menores tempos de preenchimento das mesmas e um encurtamento das rotas efetuadas diariamente pelos operadores. Através do levantamento efetuado aos diversos contadores foi possível identificar todas as áreas onde será necessário a sua instalação e a substituição de todos os contadores avariados, permitindo deste modo uma contabilização mais precisa de todos os consumos da Empresa. Com esta reestruturação o Sistema de Gestão de Consumos tornou-se mais dinâmico, mais claro e, principalmente, mais eficiente. Para a criação do modelo de previsão de consumos da Empresa foi necessário efetuar-se um levantamento dos consumos históricos de água, eletricidade, fuelóleo e produção de açúcar de dois anos. Após este levantamento determinaram-se os consumos específicos de água, fuelóleo e eletricidade diários (para cada semana dos dois anos) e procedeu-se à caracterização destes consumos por tipo de dia. Efetuada a caracterização definiu-se para cada tipo de dia um consumo específico médio com base nos dois anos. O modelo de previsão de consumos foi criado com base nos consumos específicos médios dos dois anos correspondentes a cada tipo de dia. Procedeu-se por fim à verificação do modelo, comparando-se os consumos obtidos através do modelo (consumos previstos) com os consumos reais de cada ano. Para o ano de 2012 o modelo apresenta um desvio de 6% na previsão da água, 12% na previsão da eletricidade e de 6% na previsão do fuelóleo. Em relação ao ano de 2013, o modelo apresenta um erro de 1% para a previsão dos consumos de água, 8% para o fuelóleo e de 1% para a eletricidade. Este modelo permitirá efetuar contratos de aquisição de energia elétrica com maior rigor o que conduzirá a vantagens na sua negociação e consequentemente numa redução dos custos resultantes da aquisição da mesma. Permitirá também uma adequação dos fluxos de tesouraria à necessidade reais da Empresa, resultante de um modelo de previsão mais rigoroso e que se traduz numa mais-valia financeira para a mesma. Foi também proposto a elaboração de um plano de consumos para o ano de 2014 a partir do modelo criado em função da produção prevista para esse mesmo ano. O modelo apresenta um desvio de 24% na previsão da água, 0% na previsão da eletricidade e de 28% na previsão do fuelóleo.

Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.

Studies on Chemical Bath Deposited Semiconducting Copper Selenide and Iron Sulfide Thin Films Useful For Photovoltaic Applications

Chemical bath deposition (CBD)is one of the simplest, very convient and probably the cheapest method for thin film preparation. Photovoltaic is the cleanest and the most efficient mode of conversion of energy to electrical power. Silicon is the most popular material in this field. The present study on chemical bath deposited semiconducting copper selenide and iron sulfide thin films useful for photovoltaic applications. Semiconducting thin films prepared by chemical deposition find applications as photo detectors, solar control coatings and solar cells. Copper selenide is a p-type semiconductor that finds application in photovolitics. Several heterojunction systems such as Cu2-xSe/ZnSe (for injection electro luminescence), Cu2Se/AgInSe2 and Cu2Se/Si (for photodiodes), Cu2-xSe/CdS, Cu2-xSe/CdSe, CuxSe/InP and Cu2-xSe/Si for solar cells are reported. A maximum efficiency of 8.3% was achieved for the Cu2-xSe/Si cell, various preparation techniques are used for copper selenide like vacuum evaporation, direct reaction, electrodeposition and CBD. Instability of the as-prepared films was investigation and is accounted as mainly due to deviation from stoichiometry and the formation of iron oxide impurity. A sulphur annealing chamber was designed and fabricated for this work. These samples wee also analysed using optical absorption technique, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) and XRD.(X-Ray Diffraction).The pyrite films obtained by CBD technique showed amorphous nature and the electrical studies carried out showed the films to be of high resistive nature. Future work possible in the material of iron pyrite includes sulphur annealing of the non-stochiometric iron pyrite CBD thin films in the absence of atmospheric oxygen