Experimental Investigation on Switching Characteristics of High-Current Insulated Gate Bipolar Transistors at Low Currents

Insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are used in high-power voltage-source converters rated up to hundreds of kilowatts or even a few megawatts. Knowledge of device switching characteristics is required for reliable design and operation of the converters. Switching characteristics are studied widely at high current levels, and corresponding data are available in datasheets. But the devices in a converter also switch low currents close to the zero crossings of the line currents. Further, the switching behaviour under these conditions could significantly influence the output waveform quality including zero crossover distortion. Hence, the switching characteristics of high-current IGBTs (300-A and 75-A IGBT modules) at low load current magnitudes are investigated experimentally in this paper. The collector current, gate-emitter voltage and collector-emitter voltage are measured at various low values of current (less than 10% of the device rated current). A specially designed in-house constructed coaxial current transformer (CCT) is used for device current measurement without increasing the loop inductance in the power circuit. Experimental results show that the device voltage rise time increases significantly during turn-off transitions at low currents.

Experimental results on low cost microcontroller based DC drive implementation

This paper presents the experimental results for an attractive control scheme implementation using an 8 bit microcontroller. The power converter involved is a 3 phase full controlled bridge rectifier. A single quadrant DC drive has been realized and results have been presented for both open and closed loop implementations.

Experimental Study on Switching Characteristics of an Inverter Leg Consisting of IGBTs of Dissimilar Makes

Usually the top and bottom IGBT devices in an inverter leg are of the same make (i.e. from same manufacturer). At low power level, these two devices even may be contained in the same module. However at high power levels the top and bottom devices are in separate modules. Sometimes, in the event of device failure, device of particular make may be replaced by one of another make, but of same ratings (on account of non-availability of the original make). This paper investigates the effect of such intermixing of two different makes of high power IGBTs in an inverter leg on the switching characteristics. The switching transitions between IGBT and diode of similar make and those of IGBT and diode of dissimilar make are compared experimentally at various DC link voltages and currents. The comparisons are made in terms of, IGBT peak turn-on di/dt, IGBT peak turn-off di/dt, peak diode reverse recovery current (I-rr), peak IGBT voltage overshoot and switching energy losses.

Study of Multilevel Sinusoidal PWM methods for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters

This paper is a study of Multilevel Sinusoidal Pulse Width Modulation (MSPWM) methods; Phase Disposition (PD), Alternate Phase Opposition Disposition (APOD), Phase Opposition Disposition (POD) on a single phase Cascaded H-Bridge Multilevel inverter. Various factors such as amplitude modulation index (Ma), frequency modulation index (M-f), phase angle between carrier and reference modulating wave (phi) have been considered for simulation. Variation in these factors and their effect on inverter performance is evaluated. Factors such as DC bus utilization, output r.m.s voltage, total harmonic distortion (%THD), dominant harmonic order, switching losses are evaluated based on simulation results.

Electromechanical Analysis of Tapered Piezoelectric Bimorph at High Electric Field

Piezoelectric bimorph laminar actuator of tapered width exhibits better performance for out-of-plane deflection compared to the rectangular surface area, while consuming equal surface area. This paper contains electromechanical analysis and modeling of a tapered width piezoelectric bimorph laminar actuator at high electric field in static state. The analysis is based on the second order constitutive equations of piezoelectric material, assuming small strain and large electric field to capture its behavior at high electric field. Analytical expressions are developed for block force, output strain energy, output energy density, input electrical energy, capacitance and energy efficiency at high electric field. The analytical expressions show that for fixed length, thickness, and surface area of the actuator, how the block force and output strain energy gets improved in a tapered surface actuator compared to a rectangular surface. Constant thickness, constant length and constant surface area of the actuator ensure constant mass, and constant electrical capacitance. We consider high electric field in both series and parallel electrical connection for the analysis. Part of the analytical results is validated with the experimental results, which are reported in earlier literature.

Multiobjective Optimization of Piezoelectric Bimorph Actuator with Rigid Extension

Production of high tip deflection in a piezoelectric bimorph laminar actuator by applying high voltage is limited by many physical constraints. Therefore, piezoelectric bimorph actuator with a rigid extension of non-piezoelectric material at its tip is used to increase the tip deflection of such an actuator. Research on this type of piezoelectric bending actuator is either limited to first order constitutive relations, which do not include non-linear behavior of piezoelectric element at high electric field, or limited to curve fitting techniques. Therefore, this paper considers high electric field, and analytically models tapered piezoelectric bimorph actuator with a rigid extension of non-piezoelectric material at its tip. The stiffness, capacitance, effective tip deflection, block force, output strain energy, output energy density, input electrical energy and energy efficiency of the actuator are calculated analytically. The paper also discusses the multi-objective optimization of this type of actuator subjected to the mechanical and electrical constraints.

Electromechanical analysis of piezoelectric bimorph actuator in static state considering the nonlinearity at high electric field

This article contains electromechanical analysis of a piezoelectric bimorph actuator at high electric field by incorporating second-order constitutive equations of piezoelectric material. Tip deflection, block force, block moment, block load, output strain energy, output energy density, input electrical energy, and energy efficiency are analytically derived for the actuator at high electric field. The analysis shows that output energy and energy density increase more rapidly at high electric field, compared to the prediction by the linear model. The analysis shows energy efficiency depends on electric field. Some analytical results are validated with the published experimental results.

Co-incineração de pneus com resíduos sólidos urbanos

O aumento da população, o crescimento das grandes cidades, da industrialização e do consumo, tem trazido preocupação com relação a sustentabilidade quanto à disponibilidade energética e quanto à destinação dos resíduos sólidos urbanos gerados. Dessa forma, é fundamental realizarem-se os estudos visando novas formas de reutilização dos resíduos gerados pelas atividades industriais. Os resíduos sólidos urbanos e os pneus inservíveis gerados trazem conseqüências ao meio ambiente e às populações quando destinados inadequadamente. A destinação final dos resíduos sólidos urbanos é complexa, sendo sempre um grande desafio para as administrações públicas. Com a Política Nacional de Resíduos Sólidos (instituída pela Lei n 12.305/2010), tem-se um marco da preservação ambiental, coma a gestão e gerenciamento de resíduos sólidos, com a ordem de prioridade: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos e prevê, de forma inteligente, a atribuição aos fabricantes de responsabilidade pelo retorno de produtos descartados pelos consumidores. Uma alternativa para minimizar estes aspectos e impactos ambientais é o tratamento térmico com aproveitamento energético. Este processo contribui para mais uma solução de destinação dos resíduos, proporcionado uma redução das áreas a serem utilizadas nos aterros sanitários e contribuindo como uma fonte de geração de energia elétrica

Políticas de provisão de serviços de utilidade pública na Ilha Grande: o fornecimento de energia elétrica na Vila Dois Rios

Esta dissertação é apresenta como tema central o fornecimento de energia elétrica em áreas protegidas como é caso da Ilha Grande , distrito de Angra dos Reis e situada no litoral sul do Estado do Rio de Janeiro. Os diferentes usos de energia elétrica estão relacionados às diferentes funções da ilha ao longo de cinco séculos de ocupação em que destaca-se a função de segurança pública com o complexo presidiário, a função de proteção ambiental com as categorias da APA , PARQUE, RESERVA BIOLÓGICA e com a função mais recente que é de atrativo turístico.

Metodologia de projeto de turbinas eólicas de pequeno porte.

O potencial eólico do Brasil, de vento firme e com viabilidade econômica de aproveitamento, é de 143 GW. Isso equivale ao dobro de toda a capacidade da geração já instalada no país. No Brasil, a energia eólica tem uma sazonalidade complementar à energia hidrelétrica, porque os períodos de melhor condição de vento coincidem com os de menor capacidade dos reservatórios. O projeto desenvolvido neste trabalho nasceu de uma chamada pública do FINEP, e sob os auspícios do recém criado CEPER. Ao projeto foi incorporado um caráter investigativo, de contribuição científica original, resultando em um produto de tecnologia inovadora para aerogeradores de baixa potência. Dentre os objetivos do projeto, destacamos a avaliação experimental de turbinas eólicas de 5000 W de potência. Mais especificamente, dentro do objetivo geral deste projeto estão incluídas análise estrutural, análise aerodinâmica e análise de viabilidade de novos materiais a serem empregados. Para cada uma das diferentes áreas de conhecimento que compõem o projeto, será adotada a metodologia mais adequada. Para a Análise aerodinâmica foi realizada uma simulação numérica preliminar seguida de ensaios experimentais em túnel de vento. A descrição dos procedimentos adotados é apresentada no Capítulo 3. O Capítulo 4 é dedicado aos testes elétricos. Nesta etapa, foi desenvolvido um banco de testes para obtenção das características específicas das máquinas-base, como curvas de potência, rendimento elétrico, análise e perdas mecânicas e elétricas, e aquecimento. Este capítulo termina com a análise crítica dos valores obtidos. Foram realizados testes de campo de todo o conjunto montado. Atualmente, o aerogerador de 5kW encontra-se em operação, instrumentado e equipado com sistema de aquisição de dados para consolidação dos testes de confiabilidade. Os testes de campo estão ocorrendo na cidade de Campos, RJ, e abrangeram as seguintes dimensões de análise; testes de eficiência para determinação da curva de potência, níveis de ruído e atuação de dispositivos de segurança. Os resultados esperados pelo projeto foram atingidos, consolidando o projeto de um aerogerador de 5000W.

Análise da Transparência Corporativa através dos Relatórios de Sustentabilidade com base na Global Reporting Initiative de Empresas do Setor Brasileiro de Energia Elétrica

Este estudo realizou um exame crítico sobre os relatórios de sustentabilidade, com base na Global Reporting Initiative (GRI), elaborados pelas empresas do setor de geração de energia elétrica por hidroeletricidade no Brasil e avaliou a significância destes documentos em prestar informações claras sobre a eficácia do desempenho socioambiental. Os estudos acadêmicos relacionados com os relatórios de sustentabilidade, e especificamente com os relatórios da GRI, demonstram que há problemas na qualidade da informação com relação à completeza, padronização e credibilidade do conteúdo, porém sem aprofundar nas causas potenciais. Trata-se de um estudo com abordagem quali-quantitativa, com o emprego de pesquisa do tipo descritiva e a utilização de procedimentos bibliográfico e documental, por meio de análise de conteúdo. A quantificação das evidências foi desenvolvida com base nas informações contidas nos relatórios de sustentabilidade das empresas CPFL, EDP e Tractebel, que possuíam o nível mais alto de aplicação da GRI, associadas com as informações de seus desempenhos socioambientais disponíveis por outras fontes de consulta independentes. Os resultados da análise de conteúdo dos relatórios de sustentabilidade demonstraram que nenhuma das empresas atingiu o atendimento pleno de evidência da informação solicitada nas Unidades de Informação avaliadas. Esta constatação indica que todas as empresas avaliadas apresentaram falhas na validação das informações antes do início da elaboração propriamente dita do relatório, como determina a etapa de validação da GRI, sugerindo que os testes disponíveis nos princípios da GRI, provavelmente, não foram empregados ou foram adotados sem eficácia, afetando a qualidade da informação com relação à completeza e credibilidade do conteúdo. Questões que merecem ser aprofundadas em futuros trabalhos são: a influência dos limites da auditoria independente no resultado da verificação do relatório e a extensão da pesquisa de análise de conteúdo para outros setores industriais formados por grandes empresas e com elevado impacto ambiental potencial. O estudo contribui para o aumento de conhecimento sobre o tema, em destaque na atualidade, seja pelos esforços de normalização mundial do relatório de sustentabilidade GRI, e, principalmente, com a recomendação para o fomento destes relatórios incluída no documento final The Future We Want- O Futuro que Queremos da Conferência das Nações Unidas sobre Desenvolvimento Sustentável (Rio+20), no parágrafo 47, com potencial regulamentação brasileira compulsória dos mesmos.

Análise de critérios para definição da vazão remanescente em usinas hidrelétricas.

Tem crescido a demanda por energia em todo o mundo. No Brasil, com o aquecimento da economia aumentam ainda mais as pressões. O parque gerador Brasileiro é fortemente baseado na geração hidrelétrica, que representa aproximadamente 77,6% da oferta de geração de eletricidade. Entre os impactos ambientais gerados pela construção de barragens e reservatórios de aproveitamentos hidrelétricos está a mudança do regime fluvial de jusante, a chamada vazão remanescente. Entre outros, esta vazão deve garantir as condições adequadas à sobrevivência e continuação das espécies e dos ecossistemas, associando as necessidades humanas, ambientais e as características de cada região. Tomou-se como objeto de análise dois estudos de caso, a pequena central hidrelétrica (PCH) Santa Gabriela, localizada no rio Correntes, na divisa entre os estados de Mato Grosso e Mato Grosso do Sul e a usina hidrelétrica (UHE) Batalha, situada no rio São Marcos, na divisa entre os estados de Minas Gerais e Goiás. Embora o assunto seja discutido amplamente pela comunidade técnica e acadêmica, não há ainda nos marcos legais Brasileiros associados, uma definição explícita de critérios ou limites para estabelecimento da vazão remanescente. Em geral, as legislações estaduais estabelecem valores máximos outorgáveis determinados a partir de percentuais da curva de permanência (Q90, Q95) ou da vazão mínima anual de sete dias de duração e tempo de recorrência de 10 anos Q7,10, garantindo consequentemente as vazões mínimas remanescentes. Essas metodologias implicam num único valor fixo para a vazão ao longo do ano, o que não condiz com a realidade do regime hidrológico natural. Estudos atuais apontam para um hidrograma ecológico, que represente a variação das vazões entre os meses de estiagem e cheia. Assim, a metodologia envolveu a comparação entre critérios de outorga utilizados em alguns estados Q90, Q95 e Q7,10 e métodos citados na literatura para estudo da vazão ecológica (Tennant, Texas, Vazão Base e Perímetro Molhado) e as Resoluções referentes à Declaração de Reserva de Disponibilidade Hídrica (DRDH) das usinas, que especificam a vazão remanescente nas fases de enchimento e operação, emitidas pela Agência Nacional de Águas (ANA). Observaram-se valores de vazões substancialmente diferenciados entre os seis métodos empregados. Cabe destacar, que representa um avanço a publicação do Manual de Estudos de Disponibilidade Hídrica para Aproveitamentos Hidrelétricos (ANA, 2009), que visa à padronização dos documentos para fins obtenção da DRDH e da outorga do uso do potencial de energia hidráulica em corpo de água de domínio da União. Assim, o empreendedor poderá propor e negociar a demanda hídrica para as necessidades ambientais com as autoridades competentes, o que deverá ser discutido em reunião técnica inicial que deverá contar com a participação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), ANA, órgão ambiental, empreendedor e a empresa responsável pelos estudos ambientais.

The limits of flexoelectricity in liquid crystals

The flexoelectric conversion of mechanical to electrical energy in nematic liquid crystals is investigated using continuum theory. Since the electrical energy produced cannot exceed the mechanical energy supplied, and vice-versa, upper bounds are imposed on the magnitudes of the flexoelectric coefficients in terms of the elastic and dielectric coefficients. For conventional values of the elastic and dielectric coefficients, it is shown that the flexoelectric coefficients may not be larger than a few tens of pC/m. This has important consequences for the future use of such flexoelectric materials in devices and the related energetics of distorted equilibrium structures. © 2011 Author(s).

Thermodynamic analysis of pumped thermal electricity storage

The increasing use of renewable energy technologies for electricity generation, many of which have an unpredictably intermittent nature, will inevitably lead to a greater need for electricity storage. Although there are many existing and emerging storage technologies, most have limitations in terms of geographical constraints, high capital cost or low cycle life, and few are of sufficient scale (in terms of both power and storage capacity) for integration at the transmission and distribution levels. This paper is concerned with a relatively new concept which will be referred to here as Pumped Thermal Electricity Storage (PTES), and which may be able to make a significant contribution towards future storage needs. During charge, PTES makes use of a high temperature-ratio heat pump to convert electrical energy into thermal energy which is stored as ‘sensible heat’ in two thermal reservoirs, one hot and one cold. When required, the thermal energy is then converted back to electricity by effectively running the heat pump backwards as a heat engine. The paper focuses on thermodynamic aspects of PTES, including energy and power density, and the various sources of irreversibility and their impact on round-trip efficiency.

Orthorhombic α-moo 3 coatings with lath-shaped morphology developed by SPPS: Applications to super-capacitors

Electrical double-layer capacitors owe their large capacitance to the formation of a double-layer at the electrode/electrolyte interface of high surface area carbon-based electrode materials. Greater electrical energy storage capacity has been attributed to transition metal oxides/nitrides that undergo fast, reversible redox reactions at the electrode surface (pseudo-capacitive behavior) in addition to forming electrical double-layers. Solution Precursor Plasma Spray (SPPS) has shown promise for depositing porous, high surface area transition metal oxides. This investigation explored the potential of SPPS to fabricate a-MoO 3 coatings with micro-structures suitable for use as super-capacitor electrodes. The effects of number of spray passes, spray distance, solution concentration, flow rate and spray velocity on the chemistry and micro-structure of the a-MoO 3 deposits were examined. DTA/TGA, SEM, XRD, and electrochemical analyses were performed to characterize the coatings. The results demonstrate the importance of post-deposition heating of the deposit by subsequent passes of the plasma on the coating morphology. © ASM International.