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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the research and development of a connection method for static converters, called Optimized Cascade, which aims to reduce the redundant power processing in multiple stage topologies for LED driving. An initial analysis of possible solutions available on the literature is conducted, where different kinds of solutions are demonstrated, their characteristics and how they can be classified. Afterward, an analysis of the general characteristics of the optimized cascade is presented, as well as the method employed to reduce the bus capacitance value. This reduction aims to replace the electrolytic capacitor for alternative technologies, in order to increase the lifespan of the LED driver. One of the inovations of this work is the proposal of a project methodology, focusing the conversion efficiency and the capacitance reduction. Besides that, a mathematical model of the optimized cascade was derived, so as to establish the impact of the bus voltage ripple on the LED current. From this model, it has been possible to determine parameters for choosing the best operating mode for the second stage and the estimation of capacitance reduction-. Also, some controllers were analyzed to control the PC stage, on which the resonant controller has been proposed for demanding projects, regarding the capacitance value and LED current ripple. Finally, two prototypes were mounted and tested, where an efficiency of thereabout 90% was get with a power factor of 0; 99, along with total compliance with the power quality parameters and flicker. In both prototypes film capacitors were employed, contributing to enhance the lifespan of the converter, making it compatible with LED lifespan. / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um método de conexão de conversores, chamado Cascata Otimizada, o qual visa reduzir o processamento redundante de energia em topologias de múltiplos estágios para acionamento de LEDs. Uma análise preliminar das soluções disponíveis atualmente na literatura acadêmica é realizada, na qual são demonstrados diferentes tipos de soluções, suas características e como podem ser classificadas. Em seguida, uma análise das características gerais da cascata otimizada é apresentada, bem como o método empregado para redução da capacitância de barramento. Tal redução visa a substituição de capacitores eletrolíticos por tecnologias alternativas, com o intuito do aumento da vida útil do driver. Uma das inovações deste trabalho é a proposição uma metodologia de projeto, com foco na eficiência e na redução da capacitância. Além disso, também foi elaborado um modelo matemático, de forma a determinar o impacto da ondulação da tensão no barramento sobre a corrente nos LEDs. A partir desse modelo, foi possível estabelecer parâmetros para a escolha do melhor modo de operação para o segundo estágio e estimação da redução do capacitor de barramento. Também foram analisados diversos controladores para o segundo estágio, sendo proposto o uso do controle ressonante para projetos mais exigentes com respeito ao valor do capacitor de barramento e da ondulação na corrente de saída. Por fim, dois protótipos foram montados e testados, obtendo uma eficiência de aproximadamente 90%, fator de potência de 0;99 e total observância aos parâmetros de qualidade de energia e flicker. Em ambos os protótipos foram empregados capacitores de filme, o que contribui para elevar a vida útil do conversor, compatibilizando-a com a vida útil da carga LED.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-05-08T00:11:48Z No. of bitstreams: 1 NAYARA BRANDÃO DE FREITAS – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2016.pdf: 3718233 bytes, checksum: f4f88b8a316139fc246558ded5f688d9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-08T00:11:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NAYARA BRANDÃO DE FREITAS – DISSERTAÇÃO (PPGEE) 2016.pdf: 3718233 bytes, checksum: f4f88b8a316139fc246558ded5f688d9 (MD5) Previous issue date: 2016-06-23 / O tema desenvolvido consiste no estudo, caracterização e análise de conversores multiníveis CA/CC/CA monofásicos/monofásicos, monofásicos/bifásicos e monofásicos/trifásicos aplicados a sistemas de conversão e compensação de energia, empregando IGBTs (Transistor Bipolar de Porta isolada) como dispositivos semicondutores. No decorrer do trabalho, diversas topologias são analisadas e comparadas utilizados critérios como quantidade de barramentos CC, valores das tensões dos barramentos CC, WTHD (Distorção Harmônica Total Ponderada) das tensões chaveadas, frequências de chaveamentos dos IGBTs e perdas por condução e chaveamento. Os sistemas de controle das variáveis dos conversores estudados são apresentados e o controle individual dos barramentos CC é abordado com destaque. Implementações experimentais foram utilizadas para comprovar a teoria apresentada e mostrar a viabilidade dos sistemas. / This work consists in the study, characterization, anda analysis of AC/DC/AC multilevel converters are applied to conversion and compensation systems and employ and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) as power semiconductor device. Many topologies are analyzed and compared considering the number of DC-links, DC-links voltages values, WTHDs (Weighted Total Harmonic Distortion) of the generated voltages, and semiconductors conduction and switching losses. The control systems of the studied converters are presented and the individual control of the DC-links voltages in highlighted. Experimental results are provided in order to prove the theoretical results and the viability of the systems.

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.