Resumo

O crescente número de unidades microgeradoras de energia elétrica, sobretudo a partir de fontes primárias renováveis, tais como eólica e fotovoltaica, motivou o estudo de diversas questões relacionadas ao funcionamento destes sistemas. Tanto no contexto de conexão com a rede principal quanto em sua operação isolada, estes microgeradores, que utilizam conversores eletrônicos de potência como elemento de conexão entre fonte primária e rede, ainda apresentam desafios tecnológicos que vão da topologia do conversor às técnicas de controle implementadas. Diversos níveis de controle são apresentados na literatura. Denomina-se controle primário o algoritmo responsável por controlar o fluxo de potências ativa e reativa entre conversor e rede. Dentre as técnicas mais difundidas de controle primário estão o controle por droop, o Virtual Synchronous Machine - VISMA, o Virtual Synchronous Generator - VSG e o synchronverter. O primeiro é sem dúvida o mais simples e mais utilizado, enquanto que os demais apresentam vantagens derivadas da máquina síncrona, tais como inércia virtual e coeficiente de fricção. A principal diferença entre o VISMA, o VSG e o synchronverter é que o primeiro aplica-se a conversores controlados em corrente, ao passo que VSG e synchronverter operam como conversores fontes de tensão. Neste trabalho é realizada uma revisão bibliográfica sobre os modos de operação de conversores em geração distribuída e microrredes, os níveis hierárquicos de controle, os requisitos de geração distribuída e as técnicas de controle primário. Em seguida, o foco volta-se especificamente para o controle de fluxo de potência para conversores monofásicos emulando a máquina síncrona. A proposta é uma adaptação do já existente synchronverter, concebido inicialmente para aplicações trifásicas. Resultados de simulação ilustram o desempenho da técnica proposta no modo conectado à rede, incluindo condições de afundamento de tensão e distorções harmônicas, além do modo isolado. Continuando a busca por contribuições aos conversores que emulam a máquina síncrona, a tese apresenta uma análise unificada do synchronverter, do VSG e dos conversores controlados por droop por meio de um modelo de pequenos sinais. Nesta etapa chegou-se a um modelo de alta acurácia quando comparado com o modelo dinâmico. A comparação entre as técnicas foi possível através da equivalência de ganhos, desenvolvida também neste trabalho. Os resultados de simulação e experimentais mostraram que para uma considerável faixa de ganhos, conversores controlados por droop, VSG e synchronverters apresentam resposta dinâmica similar, porém o synchronverter permite uma faixa mais extensa de ganhos na região estável. O problema da resiliência do synchronverter trifásico frente a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão na rede elétrica é também explorado e é apresentada uma proposta denominada Positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capability for AC grid (um synchronverter de sequência positiva e negativa com resiliência aumentada frente a desequilíbrio de tensão). Inspirada no teorema de Fortescue, a técnica permite limitar a corrente de saída do conversor, reduzir oscilações nas potências e evitar desligamento inesperado do conversor quando submetido a afundamentos desequilibrados e desequilíbrio de tensão. Um conversor experimental dedicado a testar técnicas de controle que emulam a máquina síncrona foi também colocado em funcionamento. Suas características são apresentadas, assim como os resultados alcançados.

Abstract

The increase in the application of electric microgenerators, mainly from renewable primary sources, such as wind and photovoltaic, has motivated the study of several issues related to the operation of these systems. Both in the context of connection to the grid and in its isolated operation, these microgenerators, which use power electronics converters as element of connection between primary source and grid, still present technological challenges, ranging from the converter topology to the implemented control techniques. Many control levels are presented in literature. The algorithm responsible for controlling the active and reactive power flow between converter and grid is called primary control. Among the most widespread primary control techniques are droop control, Virtual Synchronous Generator - VISMA, Virtual Synchronous Generator - VSG and synchronverter. The first is undoubtedly the simplest and most used, while the others have inherited advantages of the synchronous machine, such as virtual inertia and friction coefficient. The main difference between the VISMA, the VSG and the synchronverter algorithms is that the VISMA is applied to current controlled converters, while VSG and synchronverter operate as voltage source converters. In this work, a literature review is carried out on the operation modes of converters in distributed generation and microgrids, hierarchical control levels, distributed generation requirements and primary control techniques. Then the focus turns specifically to the power flow control of single-phase converters emulating synchronous machine. The proposal is an adaptation of the existing synchronverter, initially designed for three-phase applications. Simulation results illustrate the performance of the proposed technique in the grid-connected mode, including voltage sags conditions and harmonic distortions, in addition to the isolated mode. Continuing the search for contributions to the converters that emulate the synchronous machine, this dissertation presents a unified analysis of the operation of the synchronverter, VSG and the droop-controlled converters by means of a small-signal model. In this step, we reached a high accuracy small-signal model when compared to the dynamic model. The comparison between the techniques was possible through the equivalence of gains, developed also in this work. Simulation and experimental results have shown that for a considerable range of gains, droop controlled converters, VSGs and synchronverters have similar dynamic response, but the synchronverter allows a more extensive range of gains in the stable region. The resilience of the synchronverter to unbalanced sags and unbalance voltage grids is also explored and a proposal named Positive-negative sequence synchronverter with enhanced fault ride-through capability for AC grids is presented. Inspired by the Fortescue theorem, the technique allows to limit the output currents of the converter, to reduce power oscillations and to avoid unexpected converter shutdowns when subjected to unbalanced sags and voltage unbalance. An experimental converter focused in testing converters emulating synchronous machines was started-up. Its characteristics are presented as well as the last results achieved.

Resumo

A pesquisa em redes corporais sem fio (Wireless Body Area Networks - WBAN) ganhou interesse e tornou-se um tema emergente de serviços de saúde emergente devido ao seu potencial uso no monitoramento contínuo do bem-estar humano. Os movimentos naturais do corpo humano e a interferência ambiental impõem dificuldades ao desempenho de uma WBAN, como o tempo de vida e a confiabilidade na entrega de dados. Este trabalho propõe uma abordagem cross-layer, chamada CL, baseada no padrão IEEE 802.15.4 para garantir a qualidade do serviço em termos de entrega de pacotes e de tempo de vida da rede. A proposta é comparada ao padrão original e os resultados sugerem que o CL é superior quando a interferência é a causa das falhas na entrega de pacotes.

Abstract

Research in wireless body area network (WBAN) has gained interest and has become an emerging health service application because of the potential for its use in continuous monitoring of human well-being. The natural human body movements and environmental interference impose difficulties on WBAN performance, such as operational lifetime and data delivery reliability. This work proposes a cross-layer approach, called CL, based on the IEEE 802.15.4 standard to guarantee quality of service in terms of packet delivery and network lifetime. Our proposed is compared to the original standard and results suggest that CL outperforms when interference is the cause of packet delivery failures.

Resumo

A demanda por novas fontes de energia têm aumentado significativamente, assim o reaproveitamento da energia, é sem duvida, uma técnica promissora para o carregamento de uma grande variedade de dispositivos eletrônicos, tais como sensores sem fio, dispositivos de monitoramento, implantes biomédicos etc. O reaproveitamento da energia disponível no ambiente, para alimentar dispositivos de pequenas cargas, tem impulsionado diversas pesquisas. Com esse intuito diferentes propostas têm surgido e uma delas é a rectena. Dentro desse contexto, essa tese apresenta um estudo teórico e experimental de uma rectena, que é uma antena acoplada a um circuito retificador, usada na captação e conversão de energia na faixa de frequência de micro-ondas, disponíveis no ambiente, em energia elétrica de corrente contínua. A utilização de rectenas para reaproveitamento de energia eletromagnética é uma aplicação recente, que deve levar em consideração as características do sinal recebido, tais como alta frequência e baixos níveis de potência. Essas características adicionadas a não linearidade do circuito retificador implicam em limitações no casamento de impedância entre a antena e o circuito retificador, conduzindo a necessidade de um projeto específico para cada aplicação. Além das limitações quanto aos níveis de sinal e potência recebidos e a não linearidade dos circuitos, a investigação completa do sistema rectena é normalmente complexa. Para a análise é importante considerar as duas partes da rectena: a antena e circuito retificador. Embora a análise completa do problema seja possível a simulação possui um alto custo computacional. Assim, uma ferramenta de análise para rectena, constituída de um modelo de circuitos SPICE para a antena que permite a incorporação do circuito não linear, é apresentada como alternativa para as soluções de onda completa baseadas em métodos numéricos. A metodologia proposta possibilita analisar o problema tridimensional da antena e o circuito retificador separadamente. Alternativamente, duas metodologias de projeto baseadas na otimização da impedância da antena são propostas a fim de aumentar a eficiência do sistema rectena. Primeiramente, uma técnica de projeto baseada na otimização da impedância da antena é proposta a fim reduzir a complexidade do circuito de casamento de impedância. Assim, o circuito retificador é projetado com um stub simples a fim de manter a impedância do retificador próxima de 50Ω. A impedância da antena é otimizada para casar com o retificador medido. Então, o sistema rectena projetado com a antena de impedância corrigida é comparado com um sistema constituído de uma antena de 50Ω, para diferentes distâncias. Por fim, os resultados são validados com base em experimentos e dados disponíveis na literatura. Objetivando a eliminação completa do circuito casador, uma segunda abordagem foi desenvolvida onde uma topologia de antena foi otimizada diretamente para o complexo conjugado correspondente à impedância do circuito retificador. A análise do circuito retificador dobrador de tensão empregado aponta uma impedância relativamente baixa, então uma nova topologia de antena é escolhida. A sintonização da antena é apresentada e seus resultados são comparados com a técnica inicial e trabalhos contemporâneos apresentados na literatura.

Abstract

The demand for new energy sources has increased significantly, so energy reuse is undoubtedly a promising technique for loading a wide variety of devices, such as wireless sensors, biomedical implants, monitoring devices, and so on. The reuse of energy available in the environment to feed low power devices has led to many different research. For this purpose different proposals have arisen and one of them is the rectenna. Within this context, this paper presents a theoretical and experimental study of a rectenna, which is an antenna coupled to a rectifier circuit. It is used in the capture and conversion of energy, available in the environment, in the range of microwave frequencies into electrical DC power. The use of rectennas to reuse electromagnetic energy is a recent application, which should take into account the characteristics of the received signal, such as high frequency and low power levels. These characteristics added to the non-linearity of the rectifier circuit imply limitations in the impedance matching between the antenna and the rectifier circuit, leading to the need for a specific design for each application. In addition to limitations on the received signal, power levels and non-linearity of circuits, thorough investigation of the rectenna system is usually complex. For the rectenna analysis it is important to consider the two parts of the rectenna: the antenna and rectifier circuit. Although the complete analysis of the problem is possible, the simulation has a high computational cost. Thus, an analysis tool for rectenna, consisting of a SPICE circuit model for the antenna that allows the incorporation of the nonlinear circuit, is presented as an alternative to the full wave solutions based on numerical methods. The proposed methodology makes it possible to analyze the three-dimensional problem of the antenna and the rectifier circuit separately. Alternatively, two design methodologies based on antenna impedance optimization are proposed in order to increase the efficiency of the rectenna system. Firstly, a design technique based on antenna impedance optimization is proposed in order to reduce the complexity of the impedance matching circuit. Thus, the rectifier circuit is designed with a simple stub to keep the rectifier impedance close to 50$\Omega$. The antenna impedance is optimized to match the measured rectifier. Then, the rectenna system designed with the impedance corrected antenna is compared to a system consisting of a 50$\Omega$ antenna for different distances. Finally, the results are validated based on experiments and data available in the literature. In order to completely eliminate the matching circuit, a second approach was developed where an antenna topology was optimized directly for the conjugate complex corresponding to the rectifier circuit impedance. The analysis of the voltage doubling rectifier circuit employed points to a relatively low impedance, so a new antenna topology is chosen. The antenna tuning is presented and its results are compared with the initial technique and contemporary works presented in the literature.

Resumo

Contração muscular evocada eletricamente têm se tornado uma estratégia terapêutica na prática de reabilitação e em pesquisas científicas. Em Centro de Tratamento Intensivo (CTI), por exemplo, pacientes críticos podem apresentar perda de massa muscular e desordens eletrofisiológicas neuromusculares devido a longos peridos de imobilidade. Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) tem se mostrado uma importante ferramenta para prevenir estes problemas. Porém, em pacientes críticos com desordens eletrofisiológicas neuromusculares, a avaliação da excitabilidade neuromuscular é essencial para melhorar a eficiência da EENM. A excitabilidade neuromuscular tem sido avaliada pelos Testes de Eletrodiagnóstico de Estímulo (TEDE) que medem a reobase, cronaxia e acomodação. Porém, tais testes demandam muito tempo e são subjetivos à percepção visual do examinador. O objetivo deste trabalho é desenvolver um equipamento capaz de automatizar os TEDE, tornando-os mais fáceis de executar e confiáveis. Este equipamento é capaz de gerar estímulos elétricos com os parâmetros necessários para \ac{eenm}, modificando tais parâmetros em tempo real e parando a estimulação quando a contração muscular é detectada. Esta detecção é possível graças a um sistema de biofeedback implementado usando um acelerômetro posicionado no músculo no qual a contração irá ocorrer devido à eletroestimulação. Através de testes de bancada foi possível gerar estímulos bifásicos de até 208mA p-p com carga de 1 kOhms e monofásicas de até 104 mA com a mesma carga. Foi possível variar a largura de pulso do estímulo de 20 us a 50 ms com passos de 20 us. Testes com voluntários saudáveis mostraram que o equipamento é capaz de detectar contrações musculares com confiabilidade e reprodutibilidade. Valores de Coeficiente de Correlação Intraclasse (ICC) calculados para as medidas medidas de reobase e cronaxia entre equipamento e um profissional da área, mostraram alta taxa de correlação nas medidas realizadas pelo equipamento.

Abstract

Electrically evoked muscle contraction has become a relevant therapeutic strategy in the rehabilitation practice and the research field. In the Intensive Care Unit (ICU), for instance, critically ill patients can present significant muscle weakness and neuromuscular electrophysiological disorders due to long periods of immobility. Neuromuscular Electrical Stimulation (NMES) has been shown an important tool to avoid such problems. However, in critically-ill patients with neuromuscular electrophysiological disorders, the assessment of neuromuscular excitability is essential for improving NMES efficacy. Neuromuscular excitability has been assessed by Stimulus Electrodiagnosis Test (SET) which measures: rheobase, chronaxie, and accommodation. However, SET is a time demanding procedure and depends on the subjective visual detection of each examiner. The objective of this work was to develop equipment capable to automating SET, making it feasible accurate and reliable. Such equipment is capable of generating the electrical stimuli with the parameters necessary for SET, modify these parameters in real-time and stop the stimulation when the contraction is detected. This detection is possible through a biofeedback system implemented using an accelerometer placed on the muscle in which contraction will occur due to electrostimulation. Through the workbench tests it was possible to generate biphasic electric stimuli up to 208mAp-p with load until 1 kOhms and monophasic up to 104 mA with the same load range. It was possible to vary the pulse width of the stimuli from 20 us to 50 ms with steps of 20 us. Tests with healthy volunteers showed that the equipment to detect muscle contractions with reliability and reproducibility. Intraclass Correlation Coeficient (ICC) values, calculated for the rheobase and chronaxie measures between equipment and a health professional, showed high correlation rate on the equipment measures.

Resumo

Vários estudos têm discutido a utilização da eletroestimulação no diagnóstico de neuropatias periféricas que acometem as fibras nervosas de forma seletiva ou progressiva, como o diabetes mellitus, a hanseníase e a síndrome do túnel do carpo. Essa técnica é uma alternativa quantitativa e não invasiva às metodologias convencionais. No entanto, não há registros na literatura de metodologias quantitativas e não invasivas utilizadas para avaliar acometimentos ao sistema nervoso central, como a esclerose múltipla ou os efeitos das sequelas decorrentes de Acidentes Vasculares Encefálicos (AVE). Este trabalho tem por objetivo (a) apresentar o desenvolvimento de um novo estimulador elétrico somatossensorial, com dois canais; e (b) propor uma nova metodologia de estimulação elétrica, chamada de Discriminação Sensorial, para avaliar perdas cognitivas geradas por acometimentos ao sistema nervoso central. O novo sistema, chamado de EELS (Estimulador Elétrico Somatossensorial), é composto por um novo hardware, um software de interface gráfica para dispositivos móveis (aplicativo), e por um servidor WEB integrado a um banco de dados em nuvem. Foram incluídos ao EELS as metodologias de identificação do Limiar de Sensibilidade (LS) e determinação do Tempo de Reação, já apresentados pela literatura. Adicionalmente foi desenvolvido novo protocolo para avaliação da Discriminação Sensorial, a qual é baseada na capacidade de um indivíduo diferenciar estímulos elétricos em diferentes frequências, que ativam predominantemente diferentes tipos de fibras somatossensoriais periféricas. Para os testes foram utilizados os estímulos A (2kHz) e B (5Hz) sob a influência dos distratores C1 (ausência de estimulação), C2 (250Hz a 1,2xLS) e C3 (250Hz a 1,5xLS). Foram realizados testes de bancada com o objetivo de validar a forma de onda e o offset do EELS, e comparar sua linearidade e a taxa de distorção harmônica com o sistema antecessor, o NeuroStim. Também foram realizados testes funcionais em 11 voluntários sem acometimentos neurológicos, de ambos os sexos e na faixa etária de 23 a 56 anos. Os dados obtidos foram comparados com uma amostra de Limiar de Sensibilidade em 10 voluntários obtida com o NeuroStim. Além disso, os resultados da Discriminação Sensorial foram avaliados com o objetivo de observar a influência dos distratores na taxa de acertos e nos tipos de erro (AB, AC e BC) dos indivíduos, verificando a relação entre os distratores e os tipos de fibra afetadas. Os testes de bancada demonstraram que o novo equipamento apresenta vantagens sobre o NeuroStim, como maior linearidade, distorção harmônica 7,26 vezes menor e maior banda passante (0 a 10kHz). Os dados obtidos durante os testes em voluntários revelam que os valores de Limiar de Sensibilidade e Tempo de Reação são condizentes com a literatura e estatisticamente equivalentes aos dados produzidos pelo NeuroStim (valores p iguais a 0,5 e 0,1 para anova de Limiar de Sensibilidade e Tempo de Reação, respectivamente). Os dados referentes à discriminação sensorial reforçam os achados da literatura a respeito da neurosseletividade da estimulação elétrica e sobre a hipótese de estímulos a 250Hz acionarem tanto fibras finas quanto fibras grossas, funcionando como um bom distrator, mas não foi encontrada diferença estatisticamente relevante entre suas duas variações (C2 e C3). Conclui-se que o EELS atende à todos os requisitos preconizados, sendo tecnicamente capaz de substituir o NeuroStim em pesquisas envolvendo estimulação elétrica senoidal; e que a técnica de Discriminação Sensorial se mostrou uma metodologia funcional e promissora para estudos sobre acometimentos do sistema nervoso central, podendo ser estudados diferentes tipos de distratores.

Abstract

Several studies have discussed the use of electrical stimulation in diagnosis of peripheral neuropathies that selectively or progressively affect the nerve fibers, like diabetes mellitus, leprosy and carpal tunnel syndrome. This technique is a neuroselective, quantitative and non-invasive alternative to conventional methodologies. However, there is no records in literature about quantitative and non-invasive methodologies that are used to assess impairments to central nervous system, like multiple sclerosis or the effects of stroke sequelae. This work aims to a) present the development of a new electrical somatosensory stimulator, with two channels; b) propose a new electrical stimulation methodology, called Sensory Discrimination, to assess cognitive loss generated by central nervous system impairments. The new stimulator, called EELS (acronym for portuguese Estimulador Elétrico Somatossensorial), is composed by a new hardware, a graphic interface software for mobile devices (mobile application), and by a WEB server integrated to a cloud database. It was included in EELS the methodologies of Current Perception Threshold (CPT) and reaction time determination, already presented by literature. It was additionally developed a new protocol to assess the Sensory Discrimination, which is based in the ability of a individual to differentiate electrical stimuli at different frequencies, which predominantly activate different types of peripheral somatosensory fibers. For the tests, it was used the stimuli A (2kHz) and B (5Hz) under influence of the distractors C1 (lack of stimulation), C2 (250Hz at 1.2CPT) and C3 (250Hz at 1.5CPT). Workbench tests were conducted with the objective to validate the waveform and offset of EELS output, and to compare its linearity and total harmonic distortion against the NeuroStim. It was also conducted functional tests in 11 voluntaries without neurological impairments, of either sex and in age range from 23 to 56 years old. The data were compared against a Current Perception Threshold sample of 10 volunteers obtained with NeuroStim. Also, the Sensory Discriminant results were assessed with the objective of observing the influence of distractors in the hit rate and error type (AB, AC and BC) of the individuals, verifying the relation between the distractors and the affected fiber type. The workbench tests shows that the new equipment presents advantages over the NeuroStim, like a greater linearity, 7.6 times lower harmonic distortion and larger bandwidth (0Hz to 10kHz). The data obtained during the tests in volunteers reveal that the Current Perception Threshold and Reaction Time values are according to literature and statistically equivalent to the data produced by NeuroStim (p-values equal to 0.5 and 0.1 for the anova of Current Perception Threshold and Reaction Time, respectively). The Sensory Discrimination data reinforces the findings of the literature about the neuroselectivity of the electrical stimulation and about the hypothesis of the stimuli at 250Hz activate both thick and thin fibers, working as a good distractor, but it was not found statistically relevant difference between its two variations (C2 and C3). It is concluded that the EELS attends to all recommended requisites, being technically able to replace the NeuroStim in researches involving sinusoidal electrical stimulation; and that the technique of Sensory Discrimination seems to be a functional and promising methodology for studies about central nervous system impairments, and different types of distractors may be studied.