CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ErnanoAJ_DISSERT.pdf: 1903927 bytes, checksum: 0bb4c95cc8f08d85b6af9c71ab44494b (MD5) Previous issue date: 2014-07-11 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Currently, there are several power converter topologies applied to wind power generation. The converters allow the use of wind turbines operating at variable speed, enabling better use of wind forces. The high performance of the converters is being increasingly demanded, mainly because of the increase in the power generation capacity by wind turbines, which gave rise to various converter topologies, such as parallel or multilevel converters. The use of converters allow effective control of the power injected into the grid, either partially, for the case using partial converter, or total control for the case of using full converter. The back-to-back converter is one of the most used topologies in the market today, due to its simple structure, with few components, contributing to robust and reliable performance. In this work, is presented the implementation of a wind cogeneration system using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) associated with a back-to-back power converter is proposed, in order to inject active power in an electric power system. The control strategy of the active power delivered to the grid by cogeneration is based on the philosophy of indirect control / Existem diversas topologias de conversores de pot?ncia aplicadas a sistemas de gera??o de energia e?lica. Os conversores permitem a gera??o de energia com turbinas e?licas em condi??es de velocidade vari?vel do vento, possibilitando um aproveitamento de forma mais eficaz das for?as do vento. A utiliza??o dos conversores possibilita o controle efetivo da pot?ncia injetada na rede, seja de maneira parcial, no caso de utiliza??o de conversores parciais, ou controle total, no caso de utiliza??o de conversores completos. O alto desempenho dos conversores vem sendo cada vez mais necess?rio, principalmente quando se busca a eleva??o da capacidade de gera??o de pot?ncia por parte das turbinas e?licas, o que fez surgir diversas novas topologias de conversores, sejam conversores paralelos ou multin?veis. O conversor na configura??o back-to-back ? um dos mais utilizados no mercado atualmente, devido ? sua estrutura simples, com poucos componentes, contribuindo assim para um desempenho robusto e confi?vel. Neste trabalho, apresenta-se a implementa??o de um sistema de cogera??o e?lica utilizando um gerador s?ncrono a ?m? permanente (PMSG) associado a um conversor de pot?ncia na topologia back-to-back, de maneira a injetar pot?ncia ativa em um sistema el?trico de pot?ncia. A estrat?gia do controle da pot?ncia ativa fornecida pela cogera??o ? rede el?trica ? baseada na filosofia do controle indireto

A utilização de conversores multiníveis tem sido uma importante alternativa para aplicações de alta potência e média tensão, graças aos altos níveis de potência alcançáveis por estas estruturas. Recentemente, esta topologia de conversores foi aplicada em sistemas com fontes alternativas para alimentar um sistema de geração distribuída, nos quais diferentes fontes de energia eram utilizadas. Com base nas características dos conversores multinível e sua potencial aplicabilidade em sistemas de geração distribuída, este trabalho tem como objetivo construir um sistema multinível conectado a rede de distribuição para utilização de fontes alternativas de energia como fontes primárias. Considerando que a energia fornecida pelas fontes alternativas pode sofrer variações, propõe-se a integração de sistemas armazenadores de energia, como capacitores, ao sistema multinível. Por isso, este trabalho desenvolve uma estratégia de controle para máxima transferência de potência ativa entregue à rede a fim de obter um fluxo ótimo. A topologia multinível deste trabalho possui em sua configuração dois módulos inversores conectados em série. Neste caso, é possível que pelo menos um desses inversores funcione com uma modulação em baixa frequência processando a maior parcela de potência. Assim, duas estratégias de controle modulação de fase e modulação de amplitude para a transferência de potência realizada pelo inversor de baixa frequência são analisadas. As vantagens e desvantagens de cada um dos métodos são expostas e então a estratégia mais adequada, no caso a modulação de amplitude, é utilizada na operação do conversor multinível. Além disso, são apresentados a modelagem das plantas e o projeto dos controladores de cada um dos módulos inversores. Por fim, a validação da proposta é feita através dos resultados de simulações e experimentais que mostram a capacidade do sistema de geração em transferir potência constante para a rede de distribuição e manter a corrente quase sem distorções em fase com a tensão. / The utilization of multilevel converters has been an important alternative for medium voltage applications with high power and power quality demand, thanks to the high power levels achievable for this kind of structure. Recently, this converter topology was proposed as a new possibility in renewable energy source applications, mainly in system delivering power to the grid, where different renewable energy resources may be used. Based on the characteristics of multilevel converters, and their potential applicability in distributed generation systems, this study aims to build a multilevel system that could be powered by renewable energy sources as primary sources and then connect them to a distribution grid. However, considering the energy produced by alternative sources can vary, it is analyzed the integration of a storage energy system in this multilevel topology. Taking into account this ends, the main concern of this study is related to the development of a control strategy to maximize the active power transferred to the grid. The multilevel topology employed in this study has two H-bridge inverter modules connected in series forming a cascaded configuration. Therefore, it is possible that at least one of these inverters, operating with a low frequency of modulation, process the majority of power with lower amount of losses. On this way, two control strategies for power transfer are analyzed. The advantages and disadvantages of each method are presented, and the most appropriated strategy is used in the operation of the multilevel converter system. In addition, it has been presented the design criteria for each controller and finally the validation of the proposed approach is done by mains of simulations and experimental results which show the ability of the converter to transfer constant active power to the grid and keep the grid current in phase with the grid voltage.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents a new analysis, modeling and design guideline for an Insulated Power Factor Corrected Single-Stage Converter. First, the operating principle is presented which provides a better understanding of the converter. So, based on this new analysis, the two operation modes description and the new steady-state gain of the converter are provided. A new control strategy for the input current control-loop is also proposed which provides an improvement of the total harmonic distortion (THD). The conditions to reset the magnetic flux for the high frequency transformer (HFT) into a switching period and the mitigation of the reactive energy are provided. At the sequence, the transfer functions that describe the dynamic behavior of the output voltage and the input current due to perturbations on duty-cycle and input voltage are derived. These dynamic models are derived based on the averaged equivalent circuit (AEC) obtained by modeling an equivalent DC-DC converter. Finally, the design guideline and experimental results for validation of the mathematical analysis and numerical simulation confirmation are provided. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma nova análise, modelagem e metodologia de projeto de um conversor CA-CC isolado com um único estágio e correção do fator de potência. Inicialmente, é apresentado o princípio de operação do conversor em estudo propiciando um melhor entendimento do funcionamento do mesmo. Assim, baseada na nova análise, são apresentados os dois modos de operação do conversor e o novo ganho estático resultante. Também é proposta uma nova estratégia de controle para a corrente de entrada do conversor proporcionando uma redução na distorção harmônica total (DHT). Também serão estabelecidas as condições necessárias para a desmagnetização do núcleo do transformador de alta freqüência (TAF) em um período de chaveamento e a minimização de reativos circulantes. Posteriormente, são obtidas as funções de transferências que descrevem o comportamento dinâmico da tensão de saída e da corrente de entrada para perturbações na variável de controle ou na tensão de entrada. Esses modelos dinâmicos serão derivados do circuito médio equivalente (CME) obtido através da modelagem do conversor em estudo operando como um conversor CC-CC equivalente. Por fim, são apresentadas uma metodologia de projeto e os resultados experimentais para a validação da análise matemática e confirmação dos resultados obtidos através de simulações numéricas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to develop a family of electronic converters with electrical isolation to supply a group of power light emitting diodes, applied to street lighting systems. The converters have high power factor and still meets the IEC61000-3-2, for lighting equipment. The integration between the power stages is realized to decrease the number of active semiconductors in the topologies. The topologies are modeled, considering the electrical model of light emitting diodes, and controllers are proposed to turns possible the reduction of the capacitances values in the analyzed topologies. This reduction aims to turns possible the replacement of the electrolytic capacitors for film capacitors, with higher lifetime. The implemented topology is a converter with 70 W of power, supplying 32 power LEDs with 700 mA. The experimental results prove the design methodology, presenting the desired characteristics, like high power factor (0.962), agreement with the standard IEC 61000-3-2 and high efficiency (88%). / Este trabalho visa o desenvolvimento de uma família de conversores eletrônicos com isolação elétrica para o acionamento de um conjunto de diodos emissores de luz de potência, aplicados à iluminação pública. Estes sistemas devem possuir elevado fator de potência e ainda estar de acordo com a norma IEC 61000-3-2, para equipamentos de iluminação. É realizada a integração entre os estágios de potência, de tal forma a reduzir o número de semicondutores ativos das topologias. As topologias são modeladas, considerando o modelo elétrico dos diodos emissores de luz, e é proposto o uso de controladores, visando possibilitar a redução dos valores de capacitâncias das topologias analisadas. Esta redução possibilita a substituição de capacitores eletrolíticos por capacitores de filme, com maior vida útil. Um protótipo para 70 W foi implementado, alimentando 32 LEDs de potência com 700 mA, foram utilizados os conversores Boost-Flyback, Buck-Flyback e Buck-Boost Flyback, além disso o conversor Flyback foi implementado visando a comparação entre conversores integrados e de estágio único. Os resultados experimentais comprovam a metodologia de projeto, apresentando as características desejadas, como elevado fator de potência (0,962), concordância com a norma IEC 6100-3-2 e rendimento de 88%.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / New trends and emerging technologies motivate the design of analog-to-digital converters (ADCs) which must fit in increasingly constrained environments. Within this context, one design metric which is constantly forced towards reduction is the power consumption, leading the designers to come up with improvements in both the architecture and circuit levels. This work aims to push forward the energy efficiency of the successive approximation charge sharing ADC, which is a relatively new and unexplored architecture. Therefore, three complete ADCs are designed throughout this work, each one bringing novelties that help decreasing the power consumption. The techniques devised here include novel manners of dealing with the tracking of the input signal and a circuit to reduce power drained in the pre-charge cycle. Also, three different architectures of digital controller for this ADC topology are designed. Moreover, a novel bootstrapping switch circuit is presented, which provides lower devices-count and a extremely high energy efficiency. / As novas tendências e tecnologias emergentes motivam o projeto de conversores analógico-digitais (ADCs) que precisam suprir especificações cada vez mais restritivas. Nesse contexto, uma métrica de projeto que é constantemente forçada em direção à redução é o consumo de potência, fato esse que leva à concepção de melhorias tanto em nível arquitetural como em nível de circuito elétrico. Este trabalho tem como objetivo elevar a eficiência energética dos ADCs por aproximações sucessivas e compartilhamento de carga, visto que essa é uma arquitetura relativamente nova e inexplorada. Portanto, três ADCs completos são projetados ao longo deste trabalho, e cada um traz inovações que ajudam a reduzir o consumo de potência. As técnicas concebidas aqui incluem maneiras novas de efetuar a captura do sinal de entrada e um circuito para reduzir a potência drenada no ciclo de pré-carga. Além disso, três arquiteturas diferentes de controlador digital para essa topologia de ADC são expostas. Mais, um novo circuito de chave com bootstrapping é apresentado, o qual apresenta um número de dispositivos menor e uma eficiência energética extremamente alta.

A presente dissertação aborda a avaliação de três sistemas fotovoltaicos de bombeamento, que compreendem duas configurações com equipamentos dedicados à tecnologia fotovoltaica e um com equipamentos alternativos com potências entre 0,75 CV e 1,0 CV. Os resultados mostram que a configuração alternativa apresenta menor eficiência diária do sistema motobomba. A avaliação econômica revela a competitividade da configuração alternativa frente aos sistemas importados dedicados à tecnologia fotovoltaica. Alia-se a isso a disponibilidade dos equipamentos de condicionamento de potência e a facilidade de reposição. Verificou-se também que a configuração alternativa, conversor de freqüência WEG CFW08 e motobomba SOMAR de 1,0 CV e 8 estágios, trabalha com eficiência diária próxima aos 30% na faixa de operação de 20 a 40 metros de coluna dágua. Portanto, com uma adequada escolha da motobomba para a configuração alternativa, podem-se obter desempenhos semelhantes aos obtidos com sistemas importados dedicados à tecnologia fotovoltaica. Para 30 metros, a configuração alternativa bombeou somente 1% a menos do que o sistema Grundfos. O custo do volume bombeado para 30m de altura manométrica total do sistema alternativo é 22% menor do que o sistema Grundfos e 51% mais econômico do que o sistema Solarjack (Sun Pumps). / The present dissertation shows the evaluation of three Photovoltaic Pumping Systems, which involves two configurations: the equipment dedicated to the photovoltaic technology and the alternative equipment with nominal powers between 0.75 CV and 1.0 CV. The results show that the alternative configuration attained minor daily efficiency of the motopump system. The economic evaluation reveals the competitiveness of the alternative configuration in comparison with imported photovoltaic technology dedicated systems. It also should be considered the availability of equipment for power conditioning and the facility of replacement. It was also verified that the alternative configuration, variable speed drive WEG CFW08 and 1.0 CV SOMAR motor pump with 8 stages, works with daily efficiency near 30% in the 20 to 40 meters operation range. Therefore, with an adequate choice of the motor pump for the alternative configuration, performances similar to the imported photovoltaic technology dedicated systems can be obtained. For 30 meters, the alternative configuration pumped only 1% less than the Grundfos system. The cost of pumped volume for 30 meters of manometer total height of the alternative system is 22% cheaper than the system Grundfos and 51% cheaper than the system Solarjack (Sun Pumps).

O presente trabalho visa o desenvolvimento de metodologias para a conexão de sistemas de Geração Distribuída (GD) em redes de distribuição utilizando conversores CC-CA como também, a produção de energia elétrica dentro dos padrões estabelecidos por normas nacionais e internacionais. Para a produção de energia com índices de qualidade satisfatórios, duas situações vão ser consideradas: uma quando o sistema está conectado à rede e outra quando a rede está indisponível. Após a ocorrência do ilhamento, é necessária a mudança da variável a ser sintetizada pelo conversor CC-CA, ou seja, antes da contingência ocorrer a GD está sendo gerenciada no modo potência e/ou corrente e após passa a ser controlada no modo tensão. Além disso, espera-se que os resultados obtidos forneçam subsídios às concessionárias de energia elétrica e aos produtores e autoprodutores de energia para a conexão sistemas de geração distribuída em redes de distribuição como também, os procedimentos necessários a serem adotados por eles quando o sistema de distribuição estiver sob contingência (ilhamento). / This work proposes a set of analysis to connecting a distributed generation system to a distribution network using a three-phase power converter (DC-AC) as well as, the power generation produced by the DG (Distributed Generation) system must follow the national and international power quality standards. For producing energy with satisfactory power quality indexes, two situations will be considered: when the power converter operates connected to the grid, the power/current is used as control variable. However, if the power converter is operating in stand-alone mode (contingency or islanding mode) the control variable must be changed to voltage and the terminal voltage of the power converter must be controlled. Finally, the main concerning of the present study is to obtain results to the electrical energy companies and self-producers for connecting DG system to the grid as well as, the essential procedures that must be adopted by them when the distribution system is operating in contingency or islanding mode.

Esta dissertação aborda aspectos gerais relativos à utilização de um conversor CC-CC que opera conectado à rede de distribuição e que emprega como fonte primária células a combustível. Neste trabalho, a modelagem matemática em espaços de estados (pequenos sinais e média) dos conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão (IBVM), assim como as arquiteturas de controle utilizadas em modo tensão, corrente média e corrente de pico são comparadas para determinar qual delas apresenta melhor desempenho. Devido ao fato das células a combustível apresentarem tensão terminal baixa e corrente terminal elevada, há a necessidade de utilizar conversores eletrônicos com alto ganho para equalizar a tensão produzida pela fonte com o nível de tensão presente na rede de distribuição. Tendo isso em vista, este trabalho mostra uma análise do ganho estático de tensão do conversor Boost e IBVM considerando os efeitos das resistências parasitas dos componentes utilizados e da carga conectada nos terminais de saída do conversor. Como resultado da modelagem matemática do ganho, é mostrado um conjunto de equações que definem o valor mínimo de resistência do semicondutor de potência, indutor, capacitor do multiplicador de tensão e a máxima carga que os conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão podem suprir. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados teóricos e de simulação obtidos. / This thesis addresses general aspects concerning the application of DC-DC converters applied to a grid connected Fuel Cell system. It is discussed in this thesis the averaged and small signals space state modeling of the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier (IBVM) converter, it is also mentioned the control architectures in voltage mode, average current mode and peak current mode. The voltage and average current mode control architectures are simulated and implemented in hardware in order to be compared. Due to the fact that Fuel Cells present low terminal voltage and high current, it is needed to use high gain DC-DC converters with the aim connect the system to the grid. This thesis also presents an approach in the analysis of DC-DC converter static voltage gain considering the effect of the parasitic resistances and the load connected to the converter terminals. As a result of the gain analysis, it is presented a set of equation, from which is possible to determine the maximum value of the parasitic resistances for the switch, inductor and capacitor of the voltage multiplier. It is also calculated the maximum value of load connected to the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier converters with the aim to present the designed voltage gain. Additionally, by the maximum load value calculated it is possible to determine the maximum power that the converter will be capable to process, considering a specific point of operation. Finally, the designed DC-DC converter is implemented with the aim to validate the theoretical and simulation results.

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.