Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Las micro redes (MR o μG) se constituyen como una solución para la electrificación mediante el aprovechamiento de los recursos energéticos renovables locales, tanto en zonas remotas como en sistemas interconectados. Sin embargo, en zonas aisladas el uso de combustibles fósil para el transporte local prevalece como un desafío a su suministro energético. Ante esta problemática, los vehículos eléctricos (VE) se perfilan como una solución en la medida que tengan la capacidad de operar coordinadamente con una MR existente en la localidad. En esta tesis se diseña, construye y valida en laboratorio un conversor de potencia que permite el intercambio de energía entre una fuente DC y una máquina de inducción trifásica o una MR aislada, con el objetivo de materializar el concepto de V2μG (del inglés Vehicle to Micro-Grid). Se propone la utilización de un inversor trifásico, tetrapolar y multifuncional, cuyo sistema eléctrico permite dos modos de operación: el modo VE, diseñado para manipular el torque del motor de inducción trifásico del vehículo, basado en la estrategia IFOC (del inglés Indirect Field Oriented Control); y el modo V2μG, que mediante estrategias de control basadas en Acondicionadores de Potencia tipo Filtro Activo permite su integración con la MR a través de los sub-modos IDLE, COMPENSACIÓN DE COMPONENTES DE SECUENCIA CERO (CCS0), COMPENSACIÓN DE COMPONENTES DE SECUENCIA NEGATIVA (CCS-), SUAVIZADOR P-Q (SPQ) y CONTROL DE TENSIÓN BUS DC (CTBDC). Los resultados experimentales de la operación en modo VE muestran que la estrategia IFOC implementada en el conversor funciona correctamente siempre que la medición de velocidad del rotor de la máquina sea suficientemente precisa. En este caso, se observa que la respuesta del sistema ante cambios en la referencia de tipo escalón es menor a 27[ms]. Por otro lado, en el modo V2μG, se comprueba que en el sub-modo IDLE el conversor no inyecta ni absorbe potencia de la red. Se verifica que los otros sub-modos operan correctamente y de forma independiente. Sin embargo, se obtienen mejores resultados al combinar los sub-modos CCS0, CCS- Y CTBDC, logrando reducir el THD y desbalance de corriente aguas arriba al punto de conexión desde 12,5[%] a 4[%] y de 100[%] a menos del 2[%] respectivamente. Al combinar los sub-modos CCS0, CCS-, CTBDC y SPQ se logra suavizar los escalones de potencia activa y reactiva producto de la dinámica del sistema aguas arriba del punto de conexión. Para futuros trabajos se propone implementar una estrategia de carga de baterías, mejorar los controladores de corriente para el modo V2μG, integrar la operación en isla para cargas monofásicas y trifásicas e integrar funciones de control remoto para su operación en redes inteligentes. Finalmente, se plantea agregar la funcionalidad de dar soporte ante fallas en la red.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de instrumentação eletrônica para controle e automação de um sistema de crescimento de semicondutores por Epitaxia por Feixes Moleculares. Envolve uma variedade de circuitos analógicos e digitais como: um módulo de aquisição de dados e controle baseado em uma UCP Z-80, contendo algumas interfaces digitais e analógicas multiplexadas, e comunicando-se com um microcomputador através de uma interface serial. Envolve ainda o desenvolvimento de controladores de temperatura analógicos tipo P.I.D., atuação por motores de passo e circuitos de condicionamento de sinal. / In this work is presented the development of electronic instrumentation for automation and control of a Molecular Beam Epitaxy semiconductor growth system. A variety of analog and digital instrumentation circuits have been designed and implemented, including a data acquisition and control system based on a Z-80 CPU, which controls some multiplexed digital and analog interfaces and talks to a microcomputer using serial communication. Other circuits have been also developed, including analog temperature controllers, stepper motor actuators and circuits for signal conditioning.

This master thesis presents the development of an auxiliary power supply to provide energy to sensors, gate drivers, instrumentation circuits and control of a three-stage Solid State Transformer (SST). These devices require an insulated power supply of ±15V and 5V. For reason of reliability and modularity, a distributed auxiliary source is proposed. Thus, it is necessary a power supply to provide energy to the low voltage (LV) side and another to the medium voltage (MV) side. With this proposal, the auxiliary power supply does not need to have the same galvanic insulation of the SST, 25kV. However, a local power supply must operate at high voltage levels and, consequently, contain a high step-down voltage gain. Relative to LV side, the most generally used topologies as an auxiliary power supply are discussed. However, these topologies cannot be used at the MV converters, due to the high voltage stress levels involved. A study of topologies used on medium and high voltage and which enable to reach a high step-down voltage gain is realized, and two interesting topologies for this application were found. One of them uses a Flying capacitor converter connected in cascade with a Double-Ended Flyback converter. The Flying capacitor converter lowers the DC bus voltage in a controlled manner to low voltage levels. So the Double-ended Flyback converter operates in LV and provides the insulated outputs to command circuits of SST. The other topology is a unidirectional four-level NPC converter operating as Double-ended Flyback converter. For this case, a modulation strategy that allows the converter to reach a high step-down voltage gain was also proposed. These topologies were evaluated and the one which showed the best result was the four-level Double-ended Flyback converter. This converter was implemented and the experimental results prove to be effective. For the LV side, a Half-bridge LLC resonant converter as auxiliary power supply was used. This converter operates in ZVS and performs the output voltage regulation through the operating frequency variation. The experimental results of this converter are also presented. / Este trabalho de mestrado apresenta o desenvolvimento de fontes auxiliares para alimentar sensores, circuitos de comando, instrumentação e o controle de um Transformador de Estado Sólido (SST) de três estágios. Estes dispositivos necessitam de alimentação isolada com tensões de ±15V e 5V e por questões de confiabilidade e modularidade, propõe-se a utilização de fontes auxiliares distribuídas. Assim, emprega-se uma fonte auxiliar para alimentar o lado de média tensão (MT) e outra para alimentar o lado de baixa tensão (BT). Com essa proposta, as fontes auxiliares não necessitam ter a mesma isolação galvânica do SST, 25kV. Entretanto, uma das fontes locais deve operar em níveis de tensão elevados e, por consequência, apresentar baixo ganho estático. No lado de BT, as principais topologias normalmente utilizadas como fonte auxiliar são discutidas. No entanto, devido aos altos níveis de tensão envolvidos, estas topologias não podem ser aplicadas ao conversor que opera em MT. Um estudo sobre topologias aplicadas a média tensão e que possibilitam alcançar um baixo ganho estático é realizado, sendo que duas topologias se mostram interessantes para esta aplicação. Uma consiste na utilização de um conversor de capacitores flutuantes conectado em cascata com um conversor Double-Ended Flyback. O conversor de capacitores flutuantes rebaixa a tensão do barramento CC, de forma controlada, para baixa tensão. Assim o Double-Ended Flyback opera em BT e fornece as saídas isoladas para alimentar os circuitos de comando do SST. A outra topologia trata-se de um conversor NPC de quatro níveis unidirecional operando como conversor Double-Ended Flyback. Para este caso, também foi proposta uma estratégia de modulação que permite o conversor alcançar o baixo ganho estático. Essas topologias foram avaliadas, apresentando melhor resultado a esta aplicação o conversor Double-ended Flyback de quatro níveis, conforme será demonstrado neste trabalho. Esse conversor foi implementado e os resultados experimentais comprovam o seu funcionamento. Para a fonte do lado de BT utilizou-se um conversor Half-Bridge LLC ressonante que opera em ZVS e realiza a regulação da tensão de saída pela variação da frequência de operação. Os resultados experimentais deste conversor também são apresentados.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-20T22:15:13Z No. of bitstreams: 1 ADI NEVES ROCHA - DISSERTAÇÃO PPGEE 2014..pdf: 4213060 bytes, checksum: 41dbc9ec6203a02fc678bc1c878970dc (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-20T22:15:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ADI NEVES ROCHA - DISSERTAÇÃO PPGEE 2014..pdf: 4213060 bytes, checksum: 41dbc9ec6203a02fc678bc1c878970dc (MD5) Previous issue date: 2014-08-08 / O objetivo do estudo apresentado nessa dissertação é analisar e comparar dois inversores fonte de tensão acionando uma máquina de indução hexafásica. as estruturas analisadas são: o conversor composto de seis braços possuindo dois dispositivos semicondutores por braço (12 chaves) e um conversor composto de três braços e nove dispositivos semicondutores (9 chaves). A estrutura composta por 12 chaves é a configuração padrão para acionamento de cargas hexafásicas . Analisando quanto ao aspecto da quantidade de chaves o conversor de 9 chaves apresenta uma evidente redução do número de componentes. Neste trabalho busca-se uma comparação mais fundamentada a partir da análise destas topologias com relação a outras características, tais como: (i) estrutura ou modo de conexão dos dispositivos com a descrição das limitações de cada estrutura; (ii) diferenças nas técnicas de modulação empregadas; (iii) níveis de corrente e tenção em cada um dos dispositivos que compõem a estrutura; (iv) análise do desempenho segundo a quantidade de perdas por condução e por chaveamento; (v) análise de desempenho quanto aos níveis de dispersão harmônica. Apesar da análise estar voltada para a comparação dos conversores, há uma descrição da máquina hexafásica modelada por decomposição vetorial e a aplicação de uma estratégia de controle no acionamento da máquina, utilzando a técnica de controle por fluxo rotórico. / The goal of the study presented in this thesis is to analyze and compare towo voltage source inverters driving a six-phase induction machine. The types of structures analyzed are: the converter of six legs having two semiconductor devices per leg (12 switches) and an inverter composed of three legs - (nine semiconductor devices 9 switches). The converter of 12 switches is the default configuration for driving six-phase loads. Analyzing the numbers of switches aspects, the 9 switches converter shows a clear reduction in the number of components. This paper seeks a more reasoned comparison from the analysis of these topologies with respect to other characteristics, such as: (i) structure or way of connecting devices to the description of the limitations of each structure; (ii) differences in the modulation techniques employed ; (iii) levels of current voltage in each of the devices of the structure; (iv) analysis of performance depending on the amount of conduction and switching losses; (v) performance analysis of the levels of harmonic distortion. Althought the analysis is focused on the comparison of the converters, there is a description of the six-phase machine modeled by vector decomposition and implementation of a control strategy to drive the machine using the rotor flux control technique.

This paper proposes two new topological arrangements consisting in connecting the AC power supply in series with two DC converters, one operating during the positive half-cycle and the other during the negative half cycle. It is noteworthy that these DC converters in series in a case are Buck EIE converters and on the other a buck. The results obtained with both arrangements are analyzed and compared. The control strategy is developed with the goal of imposing an AC voltage output within the limits imposed by the rules in order to mitigate the problems associated with Sags and Swells from the AC power supply . The principles of operation as well as the experimental and simulation results obtained in both steady and transient state are presented and validated for a 1kVA experimental prototype. Finally, some works still on progress related to this dissertation are presented, like the multilevel compensation and the three phase compensation. / Este trabalho propõe dois novos arranjos topológicos que consistem em se conectar a alimentação CA em série com dois conversores CC, um para operar durante o semiciclo positivo e o outro durante o semiciclo negativo. Vale ressaltar que estes conversores CC em série, em um caso são conversores Buck EIE e no outro um conversor Buck. Os resultados obtidos com ambos os arranjos são analisados e comparados. A estratégia de controle é desenvolvida com o intuito de impor uma tensão de saída CA dentro dos limites impostos pelas normas de forma a mitigar os problemas associados com Sags e Swells da rede de alimentação CA. Os princípios de operação, os resultados experimentais e de simulação obtidos, tanto em regime permanente quanto em condições transitórias de operação, são apresentados e validados para um protótipo experimental de 1kVA. Por fim apresentam-se os trabalhos relacionados a esta dissertação que ainda estão em desenvolvimento, que são a compensação em multinível e a compensação trifásica. / Mestre em Ciências

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de instrumentação eletrônica para controle e automação de um sistema de crescimento de semicondutores por Epitaxia por Feixes Moleculares. Envolve uma variedade de circuitos analógicos e digitais como: um módulo de aquisição de dados e controle baseado em uma UCP Z-80, contendo algumas interfaces digitais e analógicas multiplexadas, e comunicando-se com um microcomputador através de uma interface serial. Envolve ainda o desenvolvimento de controladores de temperatura analógicos tipo P.I.D., atuação por motores de passo e circuitos de condicionamento de sinal. / In this work is presented the development of electronic instrumentation for automation and control of a Molecular Beam Epitaxy semiconductor growth system. A variety of analog and digital instrumentation circuits have been designed and implemented, including a data acquisition and control system based on a Z-80 CPU, which controls some multiplexed digital and analog interfaces and talks to a microcomputer using serial communication. Other circuits have been also developed, including analog temperature controllers, stepper motor actuators and circuits for signal conditioning.

Made available in DSpace on 2015-04-14T13:56:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 452976.pdf: 2671050 bytes, checksum: 99da8d60647852afabf102b73646c3cf (MD5) Previous issue date: 2013-08-31 / This work proposes the study and implementation of resonant controllers applied to photovoltaic panels grid-tied by a Zeta converter. This converter is designed to synthesize a rectified sinusoidal waveform current with low-harmonic content. Operating in discontinuous conduction mode, the Zeta Converter is connected to a full-bridge inverter so that one semi-cycle of the output current is inverted for every cycle of the power grid voltage, allowing the connection of PV panels to the power grid. The assembly formed by PV panel and inverter is known as Module-Integrated Inverter (MII). By aiming the project of resonant controllers, an analysis of the Zeta converter is presented, including its state-space model proposed in previous works. Furthermore, fundamental robust control concepts involved on the resonant controllers project are presented. In order to determine the gains of the resonant controllers, a formulation based on Linear Matrix Inequalities (LMIs) that guarantees the stability and performance of the closed-loop system is presented. A state-observer is also designed, reducing the number of variables that must be measured. Finally, the developed control strategy is validated through computational simulations and laboratorial tests on a prototype specially developed to this purpose. The results obtained by the experimental results validated the purpose, confirming the viability of using resonant controllers for this application, in order to synthesize a sinusoidal current waveform with low-harmonic content, synchronized with the power grid. / Este trabalho prop?e o estudo e a aplica??o de controladores ressonantes desenvolvidos para um Conversor Zeta, o qual foi concebido para sintetizar ? sua sa?da uma forma de onda de corrente senoidal retificada, com baixo conte?do harm?nico, visando desta forma o aproveitamento da energia gerada a partir de pain?is solares fotovoltaicos (PV). Operando no modo de condu??o descont?nuo, o conversor Zeta ? conectado em cascata a um inversor em ponte completa, visando inverter um dos semiciclos da sua corrente de sa?da a cada ciclo da tens?o da rede, permitindo assim a conex?o dos pain?is PV ? rede el?trica da concession?ria de energia. O conjunto formado por painel PV e inversor ? conhecido como Inversor M?dulo-Integrado. Visando o projeto dos controladores ressonantes, apresenta-se uma an?lise do Conversor Zeta, incluindo o modelo de espa?o de estados proposto em trabalhos anteriores. Em seguida, apresentam-se conceitos fundamentais de controle robusto envolvidos no projeto dos controladores ressonantes. Para determina??o dos ganhos dos controladores ressonantes, apresenta-se uma formula??o baseada em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Um observador de estados tamb?m ? projetado, visando diminuir o n?mero de vari?veis a serem medidas. Logo depois, a metodologia de controle ? apresentada, acompanhada do projeto do observador de estados. Por fim, a estrat?gia de controle desenvolvida ? validada atrav?s de simula??es computacionais e atrav?s de ensaios laboratoriais em um prot?tipo especialmente elaborado para este fim. Os resultados obtidos experimentalmente validaram a proposta, resultando na s?ntese de uma forma de onda senoidal de corrente, com baixo conte?do harm?nico, sincronizada com a rede el?trica da concession?ria.

A presente tese busca desenvolver uma metodologia para o gerenciamento e controle de uma geração distribuída que utiliza como fonte principal células a combustível do tipo PEM (Proton Exchange Membrane). A finalidade do trabalho consiste em analisar, controlar e gerenciar a operação da célula a combustível (CaC) nas operações ilhada e conectada em relação à rede de distribuição. Nos primeiros capítulos do texto é elaborada uma revisão acerca do princípio de funcionamento e do modelo da CaC. Após este estágio inicial, são analisadas e modeladas as estruturas dos estágios CC e CA que compõem a geração distribuída. Para o modo conectado é desenvolvida uma estratégia para o controle da tensão do link CC que, a partir da regulação da corrente do estágio CA, permite o gerenciamento da potência fornecida pela CaC. Sequencialmente ao texto e com a adição do estágio de armazenamento de energia, é apresentada uma proposta que vincula a dinâmica da CaC com a estrutura de gerenciamento do estágio CC e CA. Esse fato garante que a alteração do ponto de operação da CaC seja descrito conforme uma dinâmica predeterminada, garantindo assim que transitórios não sejam absorvidos pela CaC. Como parte final da tese, é desenvolvida uma estratégia para a inicialização da CaC, a qual associa o próprio comportamento da célula e o estágio de armazenamento de energia. Os resultados apresentados ao longo do texto mostram que as estruturas propostas tornam a CaC menos sensível a transitórios de carga, além de serem capazes de deslocar (gerenciar) o ponto de operação da célula. Ao final de cada capítulo, são apresentados resultados experimentais e de simulações que auxiliam o entendimento e suportam as propostas do trabalho. / This thesis proposes a methodology for management and control of distributed generation with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the main source. Additionally, the analysis of performance is used when the PEM fuel cell operates in two different operation modes, i.e. in grid-connected and stand-alone modes. In the first chapters, a review of main features and a mathematical model of fuel cells are presented. Sequentially, the theoretical models of the DC- and AC-power converters are analyzed. For grid-connected operation mode, a strategy based on the DC-link voltage control is proposed via current regulation of the AC stage affording thus the management of the power produced by the fuel cell. Additionally, with the use of the storage devices, a proposal that associates the dynamics of the PEM fuel cell with the DC and AC stages is shown. This fact ensures that the movement of the fuel cell operating point is described within a predetermined dynamic, ensuring that transients are not absorbed by the fuel cell. Finally, a strategy for the startup of fuel cell in association with the energy storage stage is developed. The results show that the proposed structures makes the cell less sensitive to the load transient, in order to move (manage) the fuel cell operating point. At the end of each chapter, experimental and simulation results are presented to support the proposed approach.

A abordagem principal desse trabalho é o estudo de técnicas anti-ilhamento ativas com realimentação positiva em um sistema de Geração Distribuída (GD) composto por um Inversor Fonte de Tensão (VSI,do inglês Voltage Source Inverter) e com cargas locais conectadas em paralelo. Na literatura são encontrados dois grupos de técnicas empregadas como proteção anti-ilhamento: as ativas e as passivas. Os métodos de detecção de ilhamento ativos são utilizados, pois possuem menores zonas de não detecção em comparação às técnicas passivas, porém injetam distúrbios contínuos no sistema de GD. Esses distúrbios degradam a qualidade de energia elétrica fornecida pelo conversor eletrônico. Nesse contexto, como escopo dessa dissertação, é realizado o estudo da estrutura de controle empregada no sistema de GD conectado com a rede de distribuição, com o intuito de avaliar o funcionamento do gerenciamento de tensão e de potência ativa e reativa. E em seguida, são discutidas técnicas de detecção de ilhamento ativas em frequência e tensão, ambas, com realimentação positiva e ganho fixo com o objetivo de investigar o desempenho das mesmas em relação ao tempo de detecção e a injeção de distúrbios no sistema de controle da GD. A partir dessa análise, são desenvolvidas técnicas anti-ilhamento com intuito de reduzir a injeção de distúrbios em diferentes pontos de operação da GD e garantir uma eficiência semelhante aos métodos tradicionais em casos de difícil detecção. Essas técnicas são baseadas na implementação do cálculo de um ganho com realimentação positiva variável inversamente proporcional a variação de potência ativa ou reativa entregue a rede. Para validação das propostas presentes nesta dissertação, são obtidos resultados em simulações computacionais e, posteriormente são adquiridos resultados práticos através de uma bancada experimental compatível com o sistema de GD simulado. / The main approach of this thesis is the study of active anti-islanding techniques with positive feedback in a Distributed Generation (DG) system composed by a Voltage Source Inverter (VSI) and local loads. In literature two groups of techniques are used as anti-island protection: the active and the passive techniques. The active islanding detection methods are preferably used because of the smaller non-detection zones compared to passive techniques, however they inject continuous disturbances in the DG system, reducing the power quality provided by the VSI. In this context, as the scope of this dissertation, it is firstly carried out the study of control structures employed in grid-tied distribution system, to evaluate the operation of the voltage control loops, and the active-and reactive power managements. Additionally, we discuss active islanding detection techniques in frequency and voltage with positive feedback and constant gain, based on the classical, with the objective of investigating their performance in relation to the detection time and the injection of disturbances in the DG system. From this analysis, antiislanding techniques are developed to guarantee efficiency similar to the traditional methods in cases of small-power flow through the grid and minimize disturbances. These techniques are based on the calculation of the positive feedback variable gain inversely proportional to the deviation of active or reactive power delivered or absorbed from the grid. To validate this proposal, the results are obtained through computational simulations and experimental analysis, as well.

O trabalho dedica atenção à otimização do acoplamento de geradores fotovoltaicos a motores de corrente alternada através de conversores de frequência comerciais, para acionar bombas centrífugas para fins de bombeamento de água. Procedimentos para otimização deste novo tipo de configuração são propostos. As ações de otimização são avaliadas através de ensaios experimentais realizados em uma bancada desenvolvida para este propósito. A bancada desenvolvida permite simular poços de até 100 m de profundidade. Resultados da operação de um protótipo instalado em campo são apresentados. Os resultados da pesquisa comprovam que este novo tipo de configuração é confiável e economicamente viável, podendo ser adotada como uma solução universal para sistemas de bombeamento de água que utilizam motobombas com potência igual ou superior a 1/2 CV. / This work is concerned with in the optimization of photovoltaic pumping systems that make use of a variable-speed drive and conventional induction motor with centrifugal pumps. Procedures for optimization of this new kind of configuration are proposed. The optimization actions are evaluated through experimental measurements accomplished in a test facility developed for this purpose. The developed test facility allows the simulation of wells with total head up to 100 m. Operation results of a prototype installed in the field are shown. The research results prove that this new kind of configuration is reliable and economically feasible, and could be adopted as a universal solution for water pumping systems with motors of 1/2 HP (metric) or higher.