Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:08:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 317920.pdf: 14601002 bytes, checksum: a6c488db2ab895334dcf2ebab5f36e9e (MD5) Previous issue date: 2013 / Uma das principais linhas de pesquisa em eletrônica de potência nas últimas duas décadas foi o desenvolvimento de conversores em alta frequência sem o uso de indutores e transformadores. Peso e volume reduzido, alta densidade de potência e baixa emissão de ruídos eletromagnéticos são resultados do uso apenas de interruptores e capacitores no estágio de potência destes conversores. Nesta dissertação de mestrado realiza-se o estudo teórico e prático de um conversor a capacitor chaveado CC-CC abaixador com 4 estágios, 48 V de tensão de entrada, 12 V de tensão de saída, 100 W de potência de saída apenas utilizando interruptores e capacitores. A partir deste primeiro estudo propõe-se uma nova topologia, um conversor a capacitor CA-CA abaixador com ganho estático ideal igual a ½. Um conversor de 220 V de tensão eficaz de entrada, 110 V de tensão eficaz de saída, 600 W de potência de saída com rendimento máximo de 95,6% é apresentado neste trabalho, constituindo um potencial candidato à substituição dos autotransformadores convencionais (sem controle da tensão de saída) em baixa potência (menos de 1 kW) em aplicações comerciais e residenciais.<br> / Abstract: One of the main line of research in Power Electronics in the last two decades has been the development of high frequency converters without inductors and transformers.Light weight, small size, high power density and low electromagnetic noise are the results of using only switches and capacitors in the power stage of these converters.This masters dissertation presents a theoretical and experimental study of a switched-capacitor step-down converter, 48 V input voltage, 12 V output voltage, 100 W output power using onlys witches and capacitors.From this first study, an AC-AC step-down converter based on the switched-capacitor principle is proposed. A 220 V high-side r.m.s. voltage, 110 V low-side r.m.s. voltage, 600 W output power converter with maximum efficiency is 95,6% is presented on this work, intending to be a potential candidate for replacing the conventional autotransformers (without control of output voltage) inlow power (less than 1 kW) for commercial and residential applications.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013 / Made available in DSpace on 2013-12-06T00:38:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 318751.pdf: 7406463 bytes, checksum: 49c6f8f030e730434043622025a67275 (MD5) Previous issue date: 2013 / Este trabalho apresenta uma nova topologia de conversor cc-cc Buck+Boost bidirecional multinível, adequado para aplicação em alta tensão. Esta topologia é gerada a partir da associação de um conversor Buck e um conversor Boost, ambos bidirecionais e multiníveis. As topologias multinível são obtidas a partir da generalização dos conversores Buck e Boost de três níveis. As principais características do conversor Buck+Boost proposto são: redução dos esforços de tensão nos semicondutores e capacitores,- tornando-o possível para aplicação em alta tensão; capacidade de processamento de fluxo bidirecional de energia; frequência de operação dos magnéticos múltipla da freqüência de comutação dos interruptores. Além disso, o conversor Buck+Boost proposto apresenta oito capacitores, cujas tensões devem ser balanceadas para a correta operação do conversor. Portanto, uma estratégia de balanço das tensões nos capacitores da topologia é apresentada e uma técnica de controle utilizando uma ação de feedforward é proposta. Para validar a análise teórica, um protótipo com especificação de 10 kW de potência de saída, tensão de entrada de 1 kV e de saída de 750 V foi construído e avaliado experimentalmente. Os resultados experimentais comprovaram as vantagens do conversor cc-cc proposto e da técnica de controle proposta para balanço das tensões nos capacitores <br> / Abstract: This work presents a novel topology of a Buck+Boost bidirectional multilevel dc-dc converter suitable for high voltage applications. The proposed topology is constructed by cascading a Buck-type and a Boost-type converter, both bidirectional and multilevel. The multilevel topologies are derived from standard three level topologies. The main features of the proposed Buck+Boost converter are: reduced voltage stress across the semiconductors, allowing its use in high voltage; bidirectional power flow; frequency operation of the inductor is a multiple of the switching frequency. Moreover, the proposed Buck+Boost topology presents eight capacitors, which their voltage must be controlled for proper operation of the converter. Therefore, a strategy to balance the voltages across these capacitors is presented and a complete feedback control technique with an inductor current feedforward action is proposed. In order to validate the theoretical analysis, a prototype with 10 kW output power capability, 1 kV to 750 V input-to-output voltage was constructed and experimented. The results attest the advantages of the new dc-dc topologies and developed feeback control.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico,. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:47:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 340837.pdf: 10721089 bytes, checksum: 78fd1b4474959ceb11c6733c68667111 (MD5) Previous issue date: 2016 / Neste trabalho são apresentados os estudos de retificadores bidirecionais aplicados para as redes de distribuição ativas com barramento em corrente contínua (CC) bipolar, assim como outros conversores, os quais desempenham importantes funções em tais redes. Possíveis arranjos destes em redes ativas de distribuição, incluindo microrredes em CC,são investigados e comparados. Além disto, neste trabalho é apresentado o estudo e a implementação prática de uma rede ativa em CC bipolar,centrado principalmente em rendimento da microrrede, ou seja, do ponto de vista das perdas globais do sistema de distribuição. Baseado nestes estudos será realizada a escolha da topologia de retificador que fará aconexão entre a rede principal e a microrrede em corrente contínua. Ao longo do trabalho, será mostrado que o conversor escolhido é o retificador NPC operando em três níveis, devido ao melhor rendimento apresentado. Buscando trazer melhorias para o conversor NPC, nesta tese será proposta uma técnica de modulação para o cancelamento da ondulação de baixa frequência da tensão do ponto central do referido conversor e, consequentemente sua melhor adaptação ao fornecimento de energia em barramento CC bipolar. Resultados de simulação e experimentais serão apresentados para demonstrar que a técnica para o cancelamento da ondulação de tensão do ponto central é efetiva. Por fim, será apresentada a proposta de incluir um circuito adicional ao NPC, para executar as funções de cancelamento da corrente de baixa frequência do ponto central da microrrede em toda a faixa de operação do retificador, assim como balancear as tensões dos barramentos parciais, em operação normal. Isto resolve algumas limitações inerente são conversor NPC no que se refere à sua capacidade de balanceamento do barramento CC em condições de carregamento desbalanceado. Além disto, em caso de falha de algum braço do retificador, este circuito poderá prover tolerância a falhas.<br> / Abstract: This work presents analysis of bidirectional power rectifiers applied tofuture dc bipolar active distribution networks, as well as other converters that perform important functions in such systems. Possible arrangements of these converters in active distribution networks, including dc microgrids, are investigated. Moreover, study and practical implementation of a dc bipolar active network, mainly focused on the system-wide efficiency, i.e., from the perspective of the overall system losses is discussed. Based on these losses the rectifier topology ischosen. This rectifier provides the interface between the main network to the dc active network. In the course of the work it is shown that thechosen converter is the three-level/-phase NPC, due to the achievable higher overall efficiency. In order to introduce improvements to theNPC converter, this work proposes a modulation technique for the cancellation of the dc-link center point low frequency current components. Simulation and experiment results are presented to show that the proposed center point cancellation technique is effective. Finally, an additional circuit is presented to be added to the originalNPC converter with the function to perform the cancellation of the dclink center point low frequency current in all operating range of rectifierand provide balance of the dc-link partial voltages, during regularoperation. This circuit solves the inherent limitations of the NPCrectifier regarding its ability to control the partial dc-link voltages underhighly unbalanced conditions. In case of failure of a rectifier leg this additional circuit can provide fault-tolerant operation.

Este trabalho trata sobre a utilização de técnicas de comutação suave aplicadas `a conversores estáticos de potência. A técnica analisada em particular consiste em proporcionar comutação em zero de tensão aos interruptores controlados, sendo referenciada na literatura como Zero Voltage Switching (ZVS). Dentre as diversas topologias de circuitos que implementam a técnica ZVS, neste trabalho é utilizada uma célula de comutação Zero Voltage Transition (ZVT), no qual utiliza interruptores controlados e elementos em paralelo com o circuito principal. O foco do trabalho é a aplicação desta célula ZVT a um conversor CC-CA PWM monofásico com saída senoidal. Nesse sentido inicialmente é feita uma revisão das topologias básicas dos inversores, é das técnicas PWM utilizadas para obtenção de saída senoidal. São apresentados os circuitos ZVT convencional e aprimorado descritos na literatura, no qual o ZVT aprimorado é empregado ao conversor CC-CA ponte completa. São apresentadas as etapas de funcionamento e análise matemática. É descrita uma metodologia de projeto para a determinação dos componentes do circuito auxiliar, com base em restrições definidas para o correto funcionamento da célula e das características dos semicondutores utilizados como chave. Um protótipo do conversor é implementado em laboratório para a validação do projeto, verificação das formas de onda nos interruptores e análise do rendimento. Outros dois circuitos de auxílio à comutação são implementados para efeitos de comparação, sendo o circuito ZVT convencional e o dissipativo snubber de Undeland. Os resultados experimentais comprovam a obtenção da comutação suave nos interruptores e o conversor apresentou rendimento de no mínimo 1% superior ao ZVT convencional e 2% ao snubber de Undeland, valores estes para toda a faixa de carga. / This paper discusses above the application of soft-switching techniques to static power conver-ters. The technique discussed in particular consists in provide zero voltage switching (ZVS) to controlled switches. Among the various circuit topologies to implement the ZVS technique, in this work is used a cell Zero-Voltage Transition (ZVT), in which uses controlled switches and elements in parallel with the main circuit. The main objective of the work is the application of this cell ZVT to a single-phase PWM inverter with sinusoidal output. In this sense initially is made a review of the basic topologies of inverters , and of the PWM techniques used to obtain sinusoidal output. Are presented the circuits ZVT conventional and improved described in the literature, in which the improved ZVT is employed on DC-AC full bridge converter. Steps of operation and mathematical analysis are presented. A design methodology is described for the determination of the components of the auxiliary circuit, based on constraints set for the correct functioning of the cell and of the characteristics of semiconductor. A prototype of the converter is implemented in the laboratory for the validation of the project, verification of waveforms the switches and analysis of efficiency. This converter is compared with other two circuits, ZVT conventional and the Undeland snubber. Experimental results show the achievement of soft switching the switches and the converter presenting an efficiency of at least 1% over for the ZVT conventional and 2% to the undeland snubber, these values for all load range.

Este trabalho trata sobre a utilização de técnicas de comutação suave aplicadas `a conversores estáticos de potência. A técnica analisada em particular consiste em proporcionar comutação em zero de tensão aos interruptores controlados, sendo referenciada na literatura como Zero Voltage Switching (ZVS). Dentre as diversas topologias de circuitos que implementam a técnica ZVS, neste trabalho é utilizada uma célula de comutação Zero Voltage Transition (ZVT), no qual utiliza interruptores controlados e elementos em paralelo com o circuito principal. O foco do trabalho é a aplicação desta célula ZVT a um conversor CC-CA PWM monofásico com saída senoidal. Nesse sentido inicialmente é feita uma revisão das topologias básicas dos inversores, é das técnicas PWM utilizadas para obtenção de saída senoidal. São apresentados os circuitos ZVT convencional e aprimorado descritos na literatura, no qual o ZVT aprimorado é empregado ao conversor CC-CA ponte completa. São apresentadas as etapas de funcionamento e análise matemática. É descrita uma metodologia de projeto para a determinação dos componentes do circuito auxiliar, com base em restrições definidas para o correto funcionamento da célula e das características dos semicondutores utilizados como chave. Um protótipo do conversor é implementado em laboratório para a validação do projeto, verificação das formas de onda nos interruptores e análise do rendimento. Outros dois circuitos de auxílio à comutação são implementados para efeitos de comparação, sendo o circuito ZVT convencional e o dissipativo snubber de Undeland. Os resultados experimentais comprovam a obtenção da comutação suave nos interruptores e o conversor apresentou rendimento de no mínimo 1% superior ao ZVT convencional e 2% ao snubber de Undeland, valores estes para toda a faixa de carga. / This paper discusses above the application of soft-switching techniques to static power conver-ters. The technique discussed in particular consists in provide zero voltage switching (ZVS) to controlled switches. Among the various circuit topologies to implement the ZVS technique, in this work is used a cell Zero-Voltage Transition (ZVT), in which uses controlled switches and elements in parallel with the main circuit. The main objective of the work is the application of this cell ZVT to a single-phase PWM inverter with sinusoidal output. In this sense initially is made a review of the basic topologies of inverters , and of the PWM techniques used to obtain sinusoidal output. Are presented the circuits ZVT conventional and improved described in the literature, in which the improved ZVT is employed on DC-AC full bridge converter. Steps of operation and mathematical analysis are presented. A design methodology is described for the determination of the components of the auxiliary circuit, based on constraints set for the correct functioning of the cell and of the characteristics of semiconductor. A prototype of the converter is implemented in the laboratory for the validation of the project, verification of waveforms the switches and analysis of efficiency. This converter is compared with other two circuits, ZVT conventional and the Undeland snubber. Experimental results show the achievement of soft switching the switches and the converter presenting an efficiency of at least 1% over for the ZVT conventional and 2% to the undeland snubber, these values for all load range.

Este trabalho apresenta as principais topologias de conversores multinível descritos na literatura. É feita uma revisão bibliográfica, apresentando as vantagens e as limitações de cada topologia. A seguir são apresentados os métodos mais usuais de modulação para conversores multinível, bem como os campos de aplicação na indústria e em sistemas de potência As associações de conversores baseadas em conversores do tipo ponte completa monofásica foram escolhidas para um estudo mais detalhado. Para estas topologias são apresentados detalhes sobre as respectivas estratégias de controle e modulação. Inicialmente são apresentados os detalhes da ponte completa monofásica com tensão de saída modulada em PWM com dois e três níveis. A seguir são estudadas as associações série e paralela com barramentos CC isolados. O estudo da associação paralela com barramento CC único é a principal contribuição desta dissertação. Para esta topologia são propostas algumas estratégias de controle. Para todos estes casos são apresentados resultados de simulação e experimentais obtidos com inversores operando com potência reduzida, controlados por DSP. / This work presents the main multilevel converter topologies described in the literature. A bibliography revision is presented, showing the advantages and limitations of each topology. The most usual multilevel modulation methods are also presented, as well as their fields of application in the industry as well as in power systems. The one phase full bridge and its associations were chosen for detailed study. For this family of topologies, this dissertation presents details about control and modulation strategies. Initially, details about the one phase full bridge with two and three levels PWM modulated output voltage are presented. Next, the series association is analyzed, followed by the parallel with isolated DC link. The study of parallel connection with a single DC Link is the mainly contribution of this dissertation. For this topology are proposed some control strategies. For all these cases, simulation and experimental results (with, small scale prototype controlled by DSP) are presented.

Conversores de energia chaveados apresentam alto rendimento por conduzirem de forma pulsada porções exatas de energia da sua entrada a um filtro de saída. A maior parte dos controladores utilizados possui natureza analógica, limitando possibilidade de estratégias de controle factíveis. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma para estudos empregando dispositivos digitais do tipo DSP para controle de tensão ou corrente de um conversor de energia DC-DC topologia Buck síncrono. Três algoritmos de controle foram testados na plataforma: controlador PID linear de tensão de saída, controlador PID linear de corrente de saída e controlador PIDFuzzy de tensão de saída. Com os algoritmos embarcados, o conversor de energia foi ensaiado, validando a proposta de uma plataforma de estudo.

Este trabalho apresenta algumas estratégias de controle das malhas de rastreamento de tensão e corrente no lado CA de conversores do tipo fonte de tensão com filtro L ou LC. A topologia escolhida para o controle de tensão CA do inversor é a de duas malhas de controle em cascata: malha de tensão e malha de corrente, sendo esta última mais interna no sistema de controle. A metodologia de trabalho utilizada consiste na modelagem do sistema (sistema controlado e controladores), ajuste dos parâmetros do controlador, simulação computacional do sistema \"inversor + controlador\", implementação de alguns controladores propostos utilizando um DSP e testes em um sistema real com inversor. O estudo das técnicas de controle concentra-se inicialmente na estratégia de realimentação de dois estados no domínio de tempo contínuo, evoluindo para estratégias em tempo discreto que consideram o atraso na atuação do inversor devido ao tempo de cálculo do algoritmo de controle. Em tempo discreto, são analisados controladores preditivos para as malhas de tensão e corrente, bem como o emprego de controladores Proporcional-Integral (PI) na malha de tensão. Os dois últimos controladores são testados em um inversor PWM de baixa potência para diversos tipos de carga, com tensão de referência de inversor senoidal em 60Hz e referência contendo harmônicas. / This work presents some control strategies to achieve voltage and current tracking at the AC side of Voltage Source Converters with L or LC output filters. The topology of voltage control is the Multi-loop control with two loops: Voltage (outer loop) and Current Loop (inner loop). The proposed methodology consists in modeling the control system (plant and controllers), tuning of the controller parameters, simulating the complete system including inverter and controller, implementation of the proposed control strategies on a Digital Signal Processor (DSP) and tests in a power converter. The thesis is initially focused on a state variable continuous time controller with two states and then discrete-time strategies which consider the actuation delay due to the time required to evaluate the control algorithm are studied. In these discrete-time models, predictive controllers in voltage and current loops are analyzed, as well as the use of Proportional- Integral (PI) controllers in the Voltage Loop. These two last control topologies are tested in a low-power inverter for several load conditions with sinusoidal 60Hz inverter reference voltage and with harmonic distortion in the inverter reference voltage.

Orientador: Vicente Lopes Junior / Co-orientador: Samuel da Silva / Banca: Joao Antonio Pereira / Banca: Milton Dias Junior / Resumo: Afim de suprir a necessidade por fontes alternativas de energia para a alimentação de sistemas microeletrônicos autônomos, os estudos têm se voltado para a utilização de materiais piezelétricos para a transformação de energia derivadas de vibrações mecânicas em energia elétrica. Como a potência fornecida pelas vigas com materiais piezelétricos é pequena e, geralmente, insuficientes para alimentar dispositivos eletrônico de forma autônoma, técnicas de extração, conversão e armazenamento de energia são utilizadas para otimizar a energia final acumulada. Neste sentido, este trabalho tem por objetivo a otimização de um sistema extrator de energia através de vibrações utilizando material piezelétrico, maximizando a potência extraída e melhorando o rendimento do sistema. Para isto, foram analisadas condições de linearidade e não linearidade no sistema e os respectivos circuitos conversores foram projetados e testados experimentalmente. A melhor configuração eletromecânica para extração de energia, o sistema será utilizada para alimentar um sistema autônomo. Foram projetados dois sistemas de monitoramentos com consumo de energia diferentes, para avaliar as limitações e potencialidades da proposta de sistema para extração de fontes alternativas de energia elétrica / Abstract: In order to meet the need for alternative energy sources to power autonomous microelectronic systems, studies have focused on the use of piezoelectric materials to transform energy derived from mechanical vibrations into electrical energy. Once the power delivered by the cantilever beams with piezoelectric materials are insufficient to power electronic devices autonomously, extraction techniques, conversion and energy storage was used to optimize the final accumulated energy. Considering that, this work aims at the optimization of an extractor system energy through vibrations using piezoelectric material, maximizing the power extracted and improving system performance. To this end, conditions of linearity and non-linearity in the mechanical system, as well as designed and tested converter circuits were analyzed. The best setup for electromechanical energy extraction, was used to feed an autonomous system. Two different power consumption-monitoring systems were designed to assess the limitation and potentialities of the proposed alternative for energy harvesting / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:53Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7052_1.pdf: 2169364 bytes, checksum: 2ff79103d25271d515abf33578970c81 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2005 / O presente trabalho apresenta estudos sobre o processo de conversão e conexão de turbinas eólicas a velocidade variável, empregando gerador assíncrono conectado à rede elétrica através de um conversor de freqüência totalmente controlável. Todo o trabalho é desenvolvido em uma plataforma computacional de grande uso no setor elétrico, o ATPDraw, sendo de fácil entendimento e de utilização no meio profissional. É realizada a modelagem dos principais elementos da turbina eólica. O detalhamento matemático é apresentado de forma sucinta e contribui para um melhor entendimento da metodologia utilizada. Além do mais, é realizada a explanação das estratégias de controle utilizadas no processo de geração de energia elétrica. Também é realizado o estudo de conexão das unidades eólicas ao sistema elétrico. São avaliados os efeitos de diversos distúrbios no sistema elétrico e na turbina eólica sobre a estabilidade do sistema e a qualidade da energia. São apresentadas técnicas para controlar a energia reativa injetada no sistema com o objetivo de melhorar o perfil de tensão quando de distúrbios transitórios no sistema elétrico e/ou variações rápidas de velocidade de vento. Desta forma, o trabalho tem como principais contribuições o desenvolvimento de algoritmos de simulação de turbinas eólicas em ATPDraw e o estudo de diversos aspectos relacionados com a conexão de unidades de geração eólica ao sistema de potência