CAPES / Este trabalho apresenta um estudo voltado ao projeto e desenvolvimento de um emulador de painéis fotovoltaicos. O emulador é composto por uma fonte de alimentação de 4 kW capaz de fornecer tensões e correntes cujo comportamento se assemelha ao comportamento de um arranjo de painéis fotovoltaicos. A estrutura de potência da fonte de alimentação é constituída por um conversor CC-CC Full-Bridge trifásico. Este conversor, isolado em alta frequência, garante menor volume e segurança para um equipamento de laboratório. Estima-se que este trabalho possa ser aplicado no teste de inversores fotovoltaicos com métodos de MPPT com respostas dinâmicas de até 300Hz. A estratégia de controle se baseia na solução numérica do modelo matemático de uma célula fotovoltaica de onde se extrai uma referência de corrente que, a partir de adequações, é imposta à carga ligada ao emulador. Desta forma, é apresentada uma metodologia de projeto da fonte de alimentação proposta. Por fim, são apresentados os resultados práticos que comprovam a funcionalidade do emulador. / This work presents a study, design, and development of a 4 kW photovoltaic array emulator. The emulator is composed of a power supply capable of delivering voltages and currents whose behavior resembles the behavior of a photovoltaic array. The structure of this power supply consists of a three-phase full-bridge DC-DC converter. This high frequency isolated converter provides a smaller volume and ensures safety for laboratory equipment. This work can be applied to test photovoltaic inverters with MPPT methods and dynamic responses up to 300Hz. The control strategy is based on the numerical solution of the mathematical model of a photovoltaic cell from which is extracted a reference current to the control of the emulator. The methodology applied to design the proposed power supply is also presented. Finally, the design, simulation, and practical results of the emulator are shown to prove its operation.

CAPES / Este trabalho aborda a aplicação de uma célula de comutação suave para um conversor matricial. No início do trabalho são apresentadas as características do conversor, apontando suas vantagens e desvantagens. Na sequência, é realizado o estudo da técnica de comutação suave, conhecida como ZVT, que caracteriza-se por não apresentar elementos em série com o circuito matricial. Essa técnica permite que as comutações do conversor matricial ocorram em zero de tensão (ZVS). Para que isso seja possível é utilizado um circuito auxiliar de comutação (CAC). Este circuito tem por finalidade desviar parte do fluxo de potência, permitir a comutação entre as fases do conversor matricial e, na sequência devolver essa energia para a carga. Ainda, esse mesmo circuito realiza as suas comutações, também com condições nulas, isto é, em zero de corrente (ZCS). Todas as etapas necessárias durante as comutações são analisadas; através dos planos de fase, circuitos e das expressões que determinam o tempo de duração de cada etapa. Algumas modificações na atuação do circuito auxiliar são propostas, com a finalidade de reduzir a energia necessária envolvida no processo de comutação. Por fim, para validar o estudo realizado foi implementada uma plataforma de estudos. Nessa plataforma, optou-se pela implementação de um conversor matricial com entrada trifásica e saída monofásica e um circuito auxiliar de comutação. Os resultados obtidos mostram que o circuito auxiliar permitiu que ocorressem as comutações das chaves semicondutoras do circuito matricial em zero de tensão. As modificações propostas possibilitaram que as comutações ocorressem de forma segura, além de garantir a condição nula nos semicondutores, com a redução da quantidade de energia envolvida no processo de comutação. / This paper discusses the application of a switching cell to a soft switching converter matrix. At the beginning of the work are presented the characteristics of the converter, pointing out their advantages and disadvantages. In the sequence, is performed the study on the soft switching technique, known as ZVT, which is characterized by not present the elements in series with the circuit matrix. This technique allows the converter switching matrix occur at zero voltage (ZVS). In order to make this possible is used an auxiliary switching circuit (cac). This circuit has the purpose to divert part of the ow of power, enabling switching between the phases of the matrix converter and, following return this energy to the load. Also, this same circuit performs its switching also with null conditions, i.e. at zero current (ZCS). All steps required during the commutations are analyzed; through phase circuits plans and expressions that determine the duration of each stage. Some changes in the performance of the auxiliary circuit are proposed in order to reduce the energy required in the process of switching. Finally, to validate the study was implemented a platform for studies. On this platform, we chose to implement a converter matrix with three-phase input and single phase output and a switching auxiliary circuit. The results show that the auxiliary circuit allowed to occur semiconductor switches of the switching matrix circuit at zero voltage. The proposed modifications have enabled the commutations occur in safe form, besides ensuring null condition in the semiconductor by reducing the amount of energy involved in the switching process.

CAPES / Este trabalho apresenta um estudo comparativo de perdas em semicondutores empregados em diferentes técnicas de comutação suave aplicadas a inversores alimentados em tensão para aplicações industriais. As técnicas a serem avaliadas são as de transição sob corrente e tensão nulas simultaneamente, conhecida como ZCZVT (Zero-Current and Zero-Voltage Transition). Para que possa ser realizada uma comparação de forma justa, é proposta uma metodologia de projeto do circuito auxiliar para os inversores ZCZVT com circuito auxiliar ressonante e ZCZVT com circuito auxiliar não ressonante, de tal forma que todos os Transistores Bipolares de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs) assistidos por estes circuitos de auxílio à comutação tenham condições de comutação semelhantes, i.e., comutem sob taxas de variação de tensão e corrente semelhantes. Para tanto, esta metodologia baseia-se nas restrições dinâmicas apresentadas pelos IGBTs em condições de comutação sob corrente e tensão nulas. A partir desta metodologia, tendo sido asseguradas as condições ideais de comutação para todos os IGBTs da ponte monofásica, desenvolveu-se um estudo comparativo dos esforços, perdas e limitações de cada um dos circuitos auxiliares (ressonante e não ressonante). As simulações dos inversores com a tecnologia de transistores IGBTs disponíveis no mercado serviu de base para a montagem de protótipos. Os protótipos são implementados através de um circuito de teste onde a estratégia de chaveamento dos dispositivos semicondutores é elaborada por meio de dispositivos lógicos programáveis de FPGA. Após a aquisição de dados experimentais, os mesmos são comparados com as simulações realizadas a fim de se determinar os reais benefícios e limitações de um inversor em relação ao outro. / This work presents a comparative study of semiconductor losses applied to Voltage Source Inverter - VSI for industrial drives applications with different soft-switching techniques. The evaluated techniques are Zero Current Zero Voltage Transition Inverters, known as ZCZVT. In order to make a fair comparison of them, it is proposed a unified design methodology for the auxiliary circuit of both ZCZVT inverters, with on-resonant auxiliary circuit, in such a way that all the IGBTs transistors assisted by theses auxiliary circuits have similar switching conditions, i.e., similar dv/dt and di/dt during transitions between the switches on and off states. Therefore, this methodology is based on the main physical constrains showed by IGBTs operating under switching conditions. By means of this methodology, the ideal conditions of switching for all IGBTs of the single phase bridge have being assured. Additionally, it was developed a comparative study of the stresses, losses and limitations of each one of the auxiliary circuits (resonant and non-resonant). The simulations of the inverters with some important IGBT technologies available on the market served as the basis to assembly the laboratory prototypes. The prototypes are implemented by a circuit under test with the switching strategy is developed using Field Programmable Gate Array - FPGA. After the experimental data acquisition, the results are compared with the simulations carried out in order to determine actual benefits and limitations of each inverter.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

Made available in DSpace on 2013-12-27T01:01:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000452976-Texto+Completo-0.pdf: 2671050 bytes, checksum: 99da8d60647852afabf102b73646c3cf (MD5) Previous issue date: 2013 / 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 propõe o estudo e a aplicação de controladores ressonantes desenvolvidos para um Conversor Zeta, o qual foi concebido para sintetizar à sua saída uma forma de onda de corrente senoidal retificada, com baixo conteúdo harmônico, visando desta forma o aproveitamento da energia gerada a partir de painéis solares fotovoltaicos (PV). Operando no modo de condução descontínuo, o conversor Zeta é conectado em cascata a um inversor em ponte completa, visando inverter um dos semiciclos da sua corrente de saída a cada ciclo da tensão da rede, permitindo assim a conexão dos painéis PV à rede elétrica da concessionária de energia. O conjunto formado por painel PV e inversor é conhecido como Inversor Módulo-Integrado. Visando o projeto dos controladores ressonantes, apresenta-se uma análise do Conversor Zeta, incluindo o modelo de espaço de estados proposto em trabalhos anteriores. Em seguida, apresentam-se conceitos fundamentais de controle robusto envolvidos no projeto dos controladores ressonantes. Para determinação dos ganhos dos controladores ressonantes, apresenta-se uma formulação baseada em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Um observador de estados também é projetado, visando diminuir o número de variáveis a serem medidas. Logo depois, a metodologia de controle é apresentada, acompanhada do projeto do observador de estados. Por fim, a estratégia de controle desenvolvida é validada através de simulações computacionais e através de ensaios laboratoriais em um protótipo especialmente elaborado para este fim. Os resultados obtidos experimentalmente validaram a proposta, resultando na síntese de uma forma de onda senoidal de corrente, com baixo conteúdo harmônico, sincronizada com a rede elétrica da concessionária.

CAPES / Este trabalho apresenta um estudo voltado ao projeto e desenvolvimento de um emulador de painéis fotovoltaicos. O emulador é composto por uma fonte de alimentação de 4 kW capaz de fornecer tensões e correntes cujo comportamento se assemelha ao comportamento de um arranjo de painéis fotovoltaicos. A estrutura de potência da fonte de alimentação é constituída por um conversor CC-CC Full-Bridge trifásico. Este conversor, isolado em alta frequência, garante menor volume e segurança para um equipamento de laboratório. Estima-se que este trabalho possa ser aplicado no teste de inversores fotovoltaicos com métodos de MPPT com respostas dinâmicas de até 300Hz. A estratégia de controle se baseia na solução numérica do modelo matemático de uma célula fotovoltaica de onde se extrai uma referência de corrente que, a partir de adequações, é imposta à carga ligada ao emulador. Desta forma, é apresentada uma metodologia de projeto da fonte de alimentação proposta. Por fim, são apresentados os resultados práticos que comprovam a funcionalidade do emulador. / This work presents a study, design, and development of a 4 kW photovoltaic array emulator. The emulator is composed of a power supply capable of delivering voltages and currents whose behavior resembles the behavior of a photovoltaic array. The structure of this power supply consists of a three-phase full-bridge DC-DC converter. This high frequency isolated converter provides a smaller volume and ensures safety for laboratory equipment. This work can be applied to test photovoltaic inverters with MPPT methods and dynamic responses up to 300Hz. The control strategy is based on the numerical solution of the mathematical model of a photovoltaic cell from which is extracted a reference current to the control of the emulator. The methodology applied to design the proposed power supply is also presented. Finally, the design, simulation, and practical results of the emulator are shown to prove its operation.

CAPES / Este trabalho aborda a aplicação de uma célula de comutação suave para um conversor matricial. No início do trabalho são apresentadas as características do conversor, apontando suas vantagens e desvantagens. Na sequência, é realizado o estudo da técnica de comutação suave, conhecida como ZVT, que caracteriza-se por não apresentar elementos em série com o circuito matricial. Essa técnica permite que as comutações do conversor matricial ocorram em zero de tensão (ZVS). Para que isso seja possível é utilizado um circuito auxiliar de comutação (CAC). Este circuito tem por finalidade desviar parte do fluxo de potência, permitir a comutação entre as fases do conversor matricial e, na sequência devolver essa energia para a carga. Ainda, esse mesmo circuito realiza as suas comutações, também com condições nulas, isto é, em zero de corrente (ZCS). Todas as etapas necessárias durante as comutações são analisadas; através dos planos de fase, circuitos e das expressões que determinam o tempo de duração de cada etapa. Algumas modificações na atuação do circuito auxiliar são propostas, com a finalidade de reduzir a energia necessária envolvida no processo de comutação. Por fim, para validar o estudo realizado foi implementada uma plataforma de estudos. Nessa plataforma, optou-se pela implementação de um conversor matricial com entrada trifásica e saída monofásica e um circuito auxiliar de comutação. Os resultados obtidos mostram que o circuito auxiliar permitiu que ocorressem as comutações das chaves semicondutoras do circuito matricial em zero de tensão. As modificações propostas possibilitaram que as comutações ocorressem de forma segura, além de garantir a condição nula nos semicondutores, com a redução da quantidade de energia envolvida no processo de comutação. / This paper discusses the application of a switching cell to a soft switching converter matrix. At the beginning of the work are presented the characteristics of the converter, pointing out their advantages and disadvantages. In the sequence, is performed the study on the soft switching technique, known as ZVT, which is characterized by not present the elements in series with the circuit matrix. This technique allows the converter switching matrix occur at zero voltage (ZVS). In order to make this possible is used an auxiliary switching circuit (cac). This circuit has the purpose to divert part of the ow of power, enabling switching between the phases of the matrix converter and, following return this energy to the load. Also, this same circuit performs its switching also with null conditions, i.e. at zero current (ZCS). All steps required during the commutations are analyzed; through phase circuits plans and expressions that determine the duration of each stage. Some changes in the performance of the auxiliary circuit are proposed in order to reduce the energy required in the process of switching. Finally, to validate the study was implemented a platform for studies. On this platform, we chose to implement a converter matrix with three-phase input and single phase output and a switching auxiliary circuit. The results show that the auxiliary circuit allowed to occur semiconductor switches of the switching matrix circuit at zero voltage. The proposed modifications have enabled the commutations occur in safe form, besides ensuring null condition in the semiconductor by reducing the amount of energy involved in the switching process.

CAPES / Este trabalho apresenta um estudo comparativo de perdas em semicondutores empregados em diferentes técnicas de comutação suave aplicadas a inversores alimentados em tensão para aplicações industriais. As técnicas a serem avaliadas são as de transição sob corrente e tensão nulas simultaneamente, conhecida como ZCZVT (Zero-Current and Zero-Voltage Transition). Para que possa ser realizada uma comparação de forma justa, é proposta uma metodologia de projeto do circuito auxiliar para os inversores ZCZVT com circuito auxiliar ressonante e ZCZVT com circuito auxiliar não ressonante, de tal forma que todos os Transistores Bipolares de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs) assistidos por estes circuitos de auxílio à comutação tenham condições de comutação semelhantes, i.e., comutem sob taxas de variação de tensão e corrente semelhantes. Para tanto, esta metodologia baseia-se nas restrições dinâmicas apresentadas pelos IGBTs em condições de comutação sob corrente e tensão nulas. A partir desta metodologia, tendo sido asseguradas as condições ideais de comutação para todos os IGBTs da ponte monofásica, desenvolveu-se um estudo comparativo dos esforços, perdas e limitações de cada um dos circuitos auxiliares (ressonante e não ressonante). As simulações dos inversores com a tecnologia de transistores IGBTs disponíveis no mercado serviu de base para a montagem de protótipos. Os protótipos são implementados através de um circuito de teste onde a estratégia de chaveamento dos dispositivos semicondutores é elaborada por meio de dispositivos lógicos programáveis de FPGA. Após a aquisição de dados experimentais, os mesmos são comparados com as simulações realizadas a fim de se determinar os reais benefícios e limitações de um inversor em relação ao outro. / This work presents a comparative study of semiconductor losses applied to Voltage Source Inverter - VSI for industrial drives applications with different soft-switching techniques. The evaluated techniques are Zero Current Zero Voltage Transition Inverters, known as ZCZVT. In order to make a fair comparison of them, it is proposed a unified design methodology for the auxiliary circuit of both ZCZVT inverters, with on-resonant auxiliary circuit, in such a way that all the IGBTs transistors assisted by theses auxiliary circuits have similar switching conditions, i.e., similar dv/dt and di/dt during transitions between the switches on and off states. Therefore, this methodology is based on the main physical constrains showed by IGBTs operating under switching conditions. By means of this methodology, the ideal conditions of switching for all IGBTs of the single phase bridge have being assured. Additionally, it was developed a comparative study of the stresses, losses and limitations of each one of the auxiliary circuits (resonant and non-resonant). The simulations of the inverters with some important IGBT technologies available on the market served as the basis to assembly the laboratory prototypes. The prototypes are implemented by a circuit under test with the switching strategy is developed using Field Programmable Gate Array - FPGA. After the experimental data acquisition, the results are compared with the simulations carried out in order to determine actual benefits and limitations of each inverter.

CAPES / O objetivo deste trabalho é a implementação em simulação e experimental de um sistema eólico, desde a modelagem da turbina até a extração de potência para a rede baseado no conversor eletrônico back-to-back. É utilizado no sistema um gerador de indução com rotor em gaiola frente suas vantagens econômicas e facilidade de compra. O trabalho apresenta a estratégia de controle vetorial tanto do conversor do lado do gerador quanto do lado da rede. Este trabalho apresenta o desenvolvimento do controle vetorial do gerador que utiliza apenas dois sensores de corrente e conta com uma estratégia de estimação de tensão nos terminais da máquina, estimação de fluxo no rotor e ainda estimação de velocidade, reduzindo o número de sensores para tal controle. Um protótipo foi desenvolvido em bancada para validar tais estratégias, onde os principais resultados são apresentados comprovando a estimação de tensão, a estimação de fluxo e de velocidade e a operação do sistema como gerador. / The objective of this work is the implementation of wind system, from the modelling of wind turbine until the power extraction to the grid, based on back-to-back converter. It is used a squirrel cage induction generator because it has economic advantages and it is easily found commercially. The paper presents all control strategy to the grid converter and the generator converter. This work implements a vector control that use just two current sensors and it has a strategy to estimate the voltage terminals machine, rotor flux and the rotor speed, reducing the number of sensors for this control. A prototype was developed to validate these strategies. The main results are presented to demonstrate the estimations and the system operating as generator.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2017-02-17T19:02:33Z No. of bitstreams: 1 JoaoTeixeiraDeCarvalhoNeto_TESE.pdf: 8174076 bytes, checksum: abcf3b6d3686c5b762d15c468555b83d (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2017-02-17T22:15:43Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoaoTeixeiraDeCarvalhoNeto_TESE.pdf: 8174076 bytes, checksum: abcf3b6d3686c5b762d15c468555b83d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-17T22:15:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoaoTeixeiraDeCarvalhoNeto_TESE.pdf: 8174076 bytes, checksum: abcf3b6d3686c5b762d15c468555b83d (MD5) Previous issue date: 2016-07-22 / A integra??o de unidades com fontes de energia prim?ria, com armazenamento de energia e cargas, ? esperada para desempenhar um papel promissor no futuro para o fornecimento de energia el?trica. A interliga??o em rede destas unidades fornecendo m?dia e baixa tens?o forma um sistema denominado de microgrid. As fontes de energia distribu?da s?o as unidades b?sicas para armazenamento e distribui??o de energia em microgrids. Estas fontes podem ser de um tipo h?brido que inclui uma fonte de energia prim?ria e armazenamento simultaneamente. Uma unidade de tipo h?brido ? proposta neste trabalho e consiste de um conversor Buck-Boost CC-CC que rastreia a pot?ncia m?xima fornecida por um painel fotovoltaico, um conversor Boost CC-CC que regula a tens?o do barramento CC do microgrid e um conversor Buck-Boost bidirecional CC-CC que controla o fluxo de energia na unidade, carregando ou descarregando um banco de baterias. O controle desses conversores deve considerar a prote??o da bateria contra picos de tens?o e transit?rios, assim como a prote??o das cargas conectadas ao barramento principal do microgrid, quando a bateria fornece a energia armazenada. As t?cnicas de controle convencionais utilizadas nos conversores destas unidades utilizam a modula??o por largura de pulso que tem a desvantagem de produzir transit?rios indesej?veis devido ? resposta lenta ?s varia??es na fonte de entrada do sistema ou nas cargas conectadas ao barramento principal do microgrid. Estes transit?rios podem vir a danificar outras cargas e baterias que estejam conectadas ao barramento principal do microgrid. A t?cnica de controle de um ciclo ? aplicada aos conversores chaveadores para permitir uma resposta r?pida a transit?rios, sem overshoots e erro nulo em regime permanente. O objetivo deste trabalho ? a utiliza??o desta t?cnica no controlador desses conversores, a fim de rastrear rapidamente o ponto de pot?ncia m?xima do painel fotovoltaico, carregar as baterias quando elas est?o descarregadas, e fornecer a energia das baterias para as cargas quando necess?rio, garantindo a prote??o das baterias e das cargas ligadas ao barramento principal do microgrid. / The integration of units with primary energy sources, energy storage and loads, is expected to play a promising role in the future for the electricity supply. The interconnection of such units providing medium and low voltage makes a microgrid system. The distributed energy sources are the basic units for storage and distribution in microgrids. These sources can be of a hybrid type, which includes a primary energy source and storage simultaneously. A hybrid type proposed in this paper consists of a DC-DC Buck-Boost converter that tracks the maximum power supplied by a photovoltaic panel, a DC-DC Boost converter that regulates the microgrid DC bus voltage and a DC-DC bidirectional Buck-Boost converter that controls the energy flow in the system, charging or discharging a battery bank. The control of these converters should consider the protection of the battery against voltage transients and spikes, as well as the protection of loads connected to the microgrid main bus when the battery supplies the stored energy. Conventional control techniques used on the converters of these units use the pulse width modulation, which has the disadvantage of produce undesirable transient due to the slow response to changes in the system input source, or the loads resistance connected to microgrid the main bus. These transients can damage other loads and batteries connected to the microgrid main bus. Thus, one-cycle control technique is applied to the switching converters to allow fast response to transient without overshoots and zero steady-state error. The objective of this work is to use this technique in controlling these converters in order to quickly track the maximum power point of the photovoltaic panel, charge the batteries when they are discharged, and provide power from the batteries to the loads when needed, ensuring the protection of the batteries and the loads connected to the microgrid main bus.