Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this thesis an study of AC Power Source (ACPS) topologies that guarantee the synthesis of high quality voltage waveforms (in comparison to the reference signal) without penalizing the system efficiency is carried out. It must be highlighted that these features can be achieved by employing hybrid topologies, which are composed of a switched-mode power amplifier and a linear power amplifier (LPA). The former amplifier (called main amplifier) processes almost the entire load power, while the second one (called correction amplifier) is responsible for the compensation for any distortion at the output voltage waveform, thus, processing a small amount of the load power. In this way, it is possible to combine both the high efficiency of switched-mode power amplifiers with high quality voltage waveforms characteristic of linear power amplifiers. This work is mainly focused on hybrid topologies in series configuration (series connection between main and correction amplifiers). This allows to employ a low voltage/low power LPA. It must be noticed that this configuration is especially suitable for ACPS applications, when, for example, the mains voltage is intended to be emulated (including high order harmonics, controlled disturbances, etc.), since the LPA experiences low voltage levels in comparison to those synthesized by the ACPS. Throughout the thesis are proposed and theoretically/ experimentally analyzed two novel ACPS topologies, which employ multilevel inverters as main amplifier. The analysis take into account the operation, modulation strategy and design methodology of the power and control circuits (of both main and correction amplifiers). Experimental results are presented (Total Harmonic Distortion and converter efficiency) in order to validate the proposed approach. / Nesta Tese é realizado um estudo acerca das principais topologias de fontes CA de potência (AC Power Source ACPS), que garantem a síntese de formas de onda de tensão de alta fidelidade (com respeito ao sinal de referência) sem, no entanto, comprometer o rendimento do sistema. Salienta-se que essas características podem ser obtidas por topologias híbridas, compostas pela associação de um amplificador chaveado com um amplificador linear. Enquanto o primeiro (denominado de amplificador principal) processa praticamente a totalidade da energia fornecida à carga, o segundo (denominado de amplificador de correção) é responsável apenas por correções na forma de onda de saída, processando, assim, uma pequena parcela de energia. Então, torna-se possível aliar o alto rendimento característico dos conversores chaveados à alta qualidade da forma de onda associada aos amplificadores lineares. O trabalho é direcionado, principalmente, a topologias híbridas em configuração série (conexão série entre o amplificador principal e o amplificador de correção), de modo que amplificadores de correção de baixa tensão/baixa potência possam ser empregados. Destaca-se que essa configuração é especialmente adequada a aplicações com ACPSs, quando, por exemplo, deseja-se emular a rede elétrica de alimentação (inserindo harmônicos de tensão, provocando distúrbios controlados, etc.), uma vez que o amplificador de correção é submetido a níveis de tensão reduzidos, se comparados aos níveis sintetizados pela ACPS. No decorrer do trabalho, são propostas e analisadas teórico-experimentalmente duas topologias inéditas de ACPS, ambas empregando inversores multiníveis como amplificador principal. São apresentadas análises relativas à operação, modulação, metodologia de projeto dos estágios de potência e controle tanto do amplificador principal quanto do de correção , bem como são apresentados resultados experimentais em termos da distorção harmônica total (Total Harmonic Distortion THD) e rendimento global do sistema.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a contribution to the study of AC Power Sources, where a prototype s development is presented. The stages that compose the system, including converter topology, filter, instrumentation and controller, are presented. The developed prototype is a three-phase four-wire source, which uses a four-leg voltage source inverter. This topology increases the flexibility for unbalanced waveforms generation or unbalanced load conditions, also simplifying the control problem of the process. This work first looks for justifying the use and the study of AC Power Sources, in this sense, some examples of tests and norms, whose tests demand its use, are given. The applications are in general related to electrical and electronic equipments and for driving electromechanical plants such as shakers. In this sense, AC Power Sources are equipment that can be used both in industry applications and didactic or research laboratories. In practically all applications, it is shown that good performance in waveforms generation is necessary. This performance is related to the ability for waveforms generation with low harmonic distortion even in conditions of variable frequency or amplitude and with nonlinear loads behavior. In this way, the use of an adequate converter topology is not enough, are too necessary controllers to guarantee performance for the system, even in adverse load conditions or in presence of unmodeled dynamics. The unmodeled dynamics are derived from some stages that compose the system, but they are generally related to the uncertainties on the model of the plant and load. Then, this work not only describes the implemented prototype and topological relative questions but also applies a Robust Model Reference Adaptive Control (RMRAC) for the plant control. This technique improves the robustness in the closed loop system even under presence of unmodeled dynamics and disturbances. The controller makes use of a Gradient type algorithm for parametric adaptation with four adapted parameters, which leads to a new error equation that is used for the controller s implementation / Este trabalho apresenta uma contribuição ao estudo de Fontes de Potência CA onde é apresentado o desenvolvimento de um protótipo. Os diversos estágios que compõem o sistema, desde a topologia do conversor, do filtro, da instrumentação e do controlador são apresentados e analisados. O protótipo desenvolvido é uma fonte trifásica a quatro fios, que utiliza um inversor de tensão de quatro braços. Esta topologia permite uma maior flexibilidade na geração de formas de onda desbalanceadas ou em condições de cargas desequilibradas, simplificando também o problema de controle do sistema. Este trabalho procura primeiramente justificar a utilização e o estudo de Fontes de Potência CA, neste sentido são dados alguns exemplos de ensaios e normas, cujos testes demandam a sua utilização. As aplicações são em geral relacionadas a equipamentos eletroeletrônicos e acionamento de outras plantas como vibradores eletromecânicos. Deste modo, as Fontes de Potência CA são equipamentos que podem ser utilizados tanto na indústria quanto em laboratórios didáticos e de pesquisa. Em praticamente todas as aplicações, é mostrado que um bom desempenho na geração de formas de onda é necessário. Este desempenho está relacionado à capacidade de geração de formas de onda com baixa distorção harmônica, não raro, em condições de freqüência e amplitude variáveis e com cargas de comportamento não-linear. Deste modo, a seleção de uma topologia de conversor adequado não basta, são também necessários controladores que garantam um bom desempenho do sistema, mesmo em condições adversas de carga e em presença de dinâmicas não-modeladas. As dinâmicas não-modeladas são oriundas das várias etapas que compõem o sistema, mas geralmente são relacionadas às incertezas sobre o modelo da planta e da carga. Neste sentido, este trabalho descreve não apenas o protótipo implementado e questões topológicas relativas a ele, mas também aplica um Controle Robusto por Modelo de Referência ou RMRAC (Robust Model Reference Adaptive Control) para o controle da planta. Esta técnica garante robustez do sistema em malha fechada mesmo na presença de dinâmicas não modeladas e distúrbios. O controlador utilizado faz uso de um algoritmo de adaptação paramétrica do tipo Gradiente, no qual quatro parâmetros são adaptados. Este fato leva a uma nova equação do erro, que é utilizada para a implementação do controlador.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents an AC Power Source (ACPS) study contribution through the proposal, design and implementation of a novel hybrid ACPS topology. In general, the proposed hybrid topology is defined from the series connection between a Modular Multilevel Converter (MMC), called main amplifier, and a Linear Power Amplifier (LPA), called correction amplifier. With this connection, the proposed ACPS enables the output waveform synthesis with high fidelity when compared to the reference waveform, also with a high bandwidth. The main contribution of the proposed topology is to allow the simplification of the main amplifier input stage, since the MMC requires a common DC bus for providing power to the load. Throughout this study, a linear amplifier DC bus design is presented, since it influences directly the ACPS performance. Regarding the main amplifier, dynamic models are presented for the control system design, which will ensure the circulating component minimization in the MMC poles, as well as ensuring the converter power flow balance by controlling the sum and subtraction of the capacitor voltages. Additionally, the pole inductors design considering the current ripple at the switching frequency is also presented. The ACPS prototype consists of eight half-bridge submodules, triggered by the control system implemented on a Digital Signal Processor (DSP) and through the selection algorithm implemented on a Field-Programmable Gate Array (FPGA). Finally, experimental results are provided in order to guarantee the employed methodology in the main and correction amplifiers design, through bench test prototype. / Esta Dissertação contribuiu com o estudo de fontes CA de potência (AC Power Source ACPS), através da proposta, desenvolvimento e implementação de uma nova topologia híbrida de ACPS. De forma geral, a topologia híbrida proposta é definida a partir da conexão série entre um Conversor Multinível Modular (Modular Multilevel Converter MMC), denominado amplificador principal, e um Amplificador Linear de Potência (Linear Power Amplifier LPA), denominado amplificador de correção. Com esta conexão, a ACPS proposta sintetiza uma forma de onda de saída com elevada fidelidade em relação à forma de onda de referência, juntamente com elevada banda-passante. A principal contribuição da topologia proposta é a possibilidade de simplificação do estágio de entrada do amplificador principal, uma vez que o MMC requer apenas um barramento CC para o fornecimento de potência à carga. No decorrer deste trabalho, também é apresentada uma análise para o projeto do barramento CC do amplificador linear, uma vez que o mesmo influencia diretamente no rendimento da ACPS. Em relação ao amplificador principal, são apresentados os modelos dinâmicos para o projeto do sistema de controle, que deve garantir a minimização da componente circulante dos polos do MMC, bem como garantir o balanço de potência do conversor através do controle da soma e da subtração das tensões dos capacitores das células. Adicionalmente, é apresentada uma análise para o projeto dos indutores dos polos em função da ondulação de corrente na frequência de chaveamento. O protótipo da ACPS é composto por oito submódulos meia-ponte, acionados através do sistema de controle implementado em um Processador Digital de Sinais (Digital Signal Processor DSP) e através do algoritmo de do balanço das tensões implementado em uma FPGA (Field-Programmable Gate Array). A partir da implementação da ACPS em laboratório, são apresentados os resultados experimentais com o propósito de comprovar a metodologia empregada no projeto dos amplificadores principal e de correção, bem como da estratégia de controle.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the development of a novel digital acceleration controller for sinusoidal vibration tests using switching-mode AC power source (ACPS) fed electrodynamic vibration machines. The proposed scheme is based on the interaction of two control loops: one for the shaker's acceleration regulation and another for the ACPS output voltage control. A robust model reference adaptive algorithm (RMRAC) is used in the voltage control loop. To reduce the effects caused by the plant's parameters variations as well harmonic vibrations and resonances of the test specimen, the acceleration feedback controller is augmented with a feedforward and a robust controller. Experimental results show that the proposed system is capable to achieve excellent acceleration reference tracking performance and robustness in the closed loop control from 20 Hz to 200 Hz. Investigations shall be performed to evaluate the response of this scheme when controlling vibrations as fast as 2000 Hz. A specific instrumentation system has been developed to feedback the electrodynamic vibration machine's acceleration. The proposed solution employs piezoelectric accelerometers, voltage mode preamplifiers, circuit for signal conditioning, analog to digital conversion and filtering. A study concerning the commonly used vibration measurement techniques and the design procedure, simulation, implementation and experimental results are described in detail. / Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo tipo de controlador digital de aceleração para ensaios com vibrações senoidais em máquinas de vibra ção eletrodinâmicas supridas por fontes de potência CA com comutação. O esquema proposto é baseado na interação entre duas malhas de controle: uma para regulação de aceleração da máquina de vibração e outra para ajuste da tensão de saída da fonte de potência CA. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na malha de controle de tensão. Os efeitos de variações paramétricas existentes na planta bem como de vibrações harmônicas e ressonâncias do objeto ensaiado são minimizados com o uso de um controlador feedforward e um controlador feedforward robusto na malha de aceleração. Resultados experimentais demonstram que o sistema proposto é capaz de garantir excelente rastreamento da aceleração de referência e robustez em malha fechada entre 20 Hz e 200 Hz, necessitando ainda de investigação para controle de vibrações tão rápidas quanto 2000 Hz. A realimentação da aceleração da máquina é realizada com o desenvolvimento de uma instrumentação adequada a esse fim. A solução proposta utiliza acelerômetros piezoelétricos, pré-amplificadores modo tensão, circuito para condicionamento de sinais, conversão analógico-digital e filtragem. Um estudo sobre as principais técnicas utilizadas em medições de vibrações bem como a metodologia de projeto, simulação, implementação e testes experimentais são descritos detalhadamente.