Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T06:04:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 241259.pdf: 5101216 bytes, checksum: 5182eb5955d83babed3156b7095d4447 (MD5) / O objetivo principal deste trabalho é o de estudar novas soluções para a implementação de conversores CC-CA's bidirecionais isolados compostos a partir de conversores CC-CC bidirecionais básicos. O primeiro passo é o de realizar uma revisão bibliográfica apresentada no capítulo I, que é de fundamental importância para se ter uma visão do que já havia sido proposto até então. No capítulo II, são abordados os conversores CC-CC's bidirecionais básicos onde foram analisadas as principais formas de ondas destes conversores. As possíveis soluções para se implementar os conversores CC-CA's a partir dos conversores CC-CC básicos são apresentadas no capítulo III. O conversor CC-CC Fyback bidirecional é estudado no capítulo IV. Onde é apresentado um estudo mais aprofundado sobre este conversor com a realização de análise das etapas de operação e simulações à vazio, com carga resistiva, com carga capacitiva e com carga não-linear. O conversor SEPIC CC-CA bidirecional isolado é estudado no capítulo V onde é levantada a função de transferência do conversor assim como o equacionamento matemático desuas principais formas de onda. No capítulo VI são mostrados os resultados experimentais obtidos com a implementação de dois protótipos do conversor SEPIC CC-CA bidirecional. O capítulo VII aborda alguns tópicos complementares como a associação de conversores, conversores trifásicos e reticadores.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T15:14:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 243188.pdf: 2050467 bytes, checksum: 5efe86fc3caf35740fa402fcb4850ce9 (MD5) / Este trabalho visa a análise e a implementação prática de um conversor CC-CC elevador de tensão, baseado na topologia do inversor Z-Source, e o estudo de seu comportamento, ao ser alimentado por uma Célula a Combustível. Primeiramente, foram abordados os conceitos e os princípios de funcionamento das Células a Combustível, juntamente com suas características elétricas, estáticas e dinâmicas, de forma a auxiliar na compreensão de seu funcionamento. Em seguida, procedeu-se à compreensão da topologia do conversor CC-CC; suas etapas de operação, equacionamentos, características externas e dimensionamento dos elementos passivos e esforços nos componentes. A modelagem dinâmica foi realizada, tendo sido proposta uma estrutura de controle em malha fechada. O projeto e o controle do conversor incluíram o dimensionamento dos elementos e a realização dos cálculos do filtro para a Célula a Combustível. Por fim, são apresentados os resultados de simulação do sistema completo e em seguida os resultados dos ensaios de laboratório obtidos com a implementação prática do protótipo.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-24T04:02:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258003.pdf: 3936337 bytes, checksum: c3a117ec3b94d8242145c16d1006ca3f (MD5) / Este trabalho apresenta o estudo e a implementação de um sistema para o controle da cor e da intensidade luminosa utilizando LEDs de potência, buscando aproveitar as principais características destes dispositivos. São propostos conversores buck operando como fontes de corrente controladas para a alimentação de três conjuntos de LEDs, nas cores vermelho, verde e azul. Um conversor CC-CC do tipo meia-ponte com comando assimétrico também é proposto com estágio intermediário entre um retificador e os drivers. É realizada tanto a análise estática quanto a dinâmica das diversas estruturas de potência, possibilitando o desenvolvimento de uma metodologia de projeto para as mesmas. A comutação do conversor CC-CC é estudada a fim de garantir a operação do conversor com comutação suave para qualquer ajuste de cor ou de intensidade luminosa. Também são apresentados os diversos circuitos auxiliares que compõem o sistema, incluindo uma interface que possibilite o controle do usuário.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T08:46:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 265533.pdf: 19206594 bytes, checksum: 8b8c2e889fd616967715aa909d4cb76e (MD5) / A presente pesquisa tem como principais objetivos o estudo e a análise da estrutura eólica de pequeno porte para geração de energia elétrica a fim de se obter um modelo de simulação que possibilite o projeto e dimensionamento de conversores capazes de rastrear a máxima potência e otimizar o sistema. Primeiramente, faz-se uma introdução dos principais conceitos da energia eólica e, em seguida, com o foco nos sistemas eólicos de pequeno porte, realizam-se o equacionamento e a construção do modelo para turbinas de três pás com gerador síncrono a ímã permanente de fluxo axial para carregamento de um banco de baterias. Uma vez concebido o modelo, simula-se o mesmo e com base nos resultados aplica-se um método de rastreamento de máxima potência, que então fará parte do estágio de controle dos conversores de potência aplicados ao sistema. Três conversores básicos são abordados, Boost, SEPIC e Buck, sendo que, para o último, um projeto e implementação prática é realizado para comprovação e conclusões acerca dos modelos e teorias propostas.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T08:56:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 273727.pdf: 7866290 bytes, checksum: a824f6fc8dd53b082f26d7da40d3b710 (MD5) / Este trabalho apresenta um estudo na área de eletrônica de potência aplicada à tecnologia de painéis solares fotovoltaicos. Uma revisão das arquiteturas utilizadas até o momento para realizar a conversão de energia dos módulos fotovoltaicos é apresentada, além de uma breve classificação e evolução dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica de energia. Para o trabalho, dois conversores CC-CC foram escolhidos, estudados e aplicados como estágios iniciais de potência a um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica. Estes foram projetados de tal maneira a levar em consideração a redução do número de componentes e das perdas. Uma estratégia de controle para os mesmos foi estudada e foi decidido que o controle associado ao primeiro estágio teria unicamente a função de forçar o mesmo a operar sempre próximo ao ponto de máxima potência. Um conversor CC-CA foi apresentado como segundo estágio do sistema. Uma análise detalhada do controle foi realizada e duas malhas de controle, trabalhando conjuntamente, foram empregadas. Uma para controlar a tensão contínua do barramento e o fluxo de potência. Outra para controlar a corrente de saída do sistema. Além disso, a pesquisa também considerou a possibilidade de conexão de cargas diretamente ao sistema, focando os esforços em cargas não-lineares. Um algoritmo seguidor de máxima potência foi apresentado além de um sistema de proteção e supervisão. Por fim, os resultados experimentais validam os estudos teóricos realizados, além de corroborar algumas hipóteses discutidas no decorrer do trabalho. / This work presents a study on the application of power electronics in the photovoltaic system area. An overview of the power electronics architectures applied to photovoltaic modules energy conversion is presented, including a brief classification and evolution of grid connected photovoltaic systems. To the research, two DC-DC converters were chosen, designed and applied as first power stage of a grid connected system. They were designed considering the reduction of losses and devices. A control strategy for them was studied and it was decided that the control associated with the first stage would have only the function of forcing it to operate always near the point of maximum power. A DC-AC converter was presented as the second stage of the system. A detailed control analysis was developed and two loop controls, working together, were employed. One loop to control the voltage of bus and the power flow. Another to control the output current of the system. Moreover, the research also considered the possibility of connecting a load directly to the system, focusing efforts on non-linear loads. A maximum power point tracker algorithm and a system of protection and supervision were presented. Finally, the experimental results validate the theoretical studies conducted, in addition to corroborate some assumptions discussed in the course of work.

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.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:17:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 321636.pdf: 31550860 bytes, checksum: c47058e82c23acbd72d0dec1e4b1ce26 (MD5) Previous issue date: 2013 / Nesta tese apresentam-se os procedimentos envolvidos na implementação prática de uma microrrede composta por um arranjo fotovoltaico de 1 kW,um aerogerador de 1 kW, uma célula a combustível de 1,2 kW e um banco de supercapacitores de 31,5 F/ 250V. O sistema, concebido de maneira apermitir o suprimento ininterrupto de energia a uma carga crítica cc, é capazde operar em dois modos distintos: interligado à rede ou isolado. Quandooperando no modo interligado, a rede elétrica da concessionária se fazpresente, absorvendo a energia excedente nos momentos em que a geraçãorenovável superar a demanda, ou complementando-a, caso contrário.Ressalta-se que neste modo de operação a célula a combustível, por ser afonte cujo custo de despacho é o mais elevado (cenário brasileiro), jamais éacionada. Em contrapartida, no modo isolado, devido à ausência da rede, aoperação do sistema fica condicionada à potência das fontes renováveis,sendo a célula a combustível acionada apenas em casos críticos, de forma aassegurar a continuidade de energia à carga e a autonomia do sistema,definida, por sua vez, pelo montante de hidrogênio estocado. Além daanálise dos resultados inerentes a oito distintos cenários, oriundos dasvariadas combinações de geração e demanda, o trabalho apresentametodologias de escolha, projeto e dimensionamento e controle dosconversores estáticos que compõem cada um dos estágios de processamentode energia, aprofunda a discussão a respeito da geração descentralizada,propõe uma estratégia de controle do fluxo de potência entre as fontesrenováveis, a rede elétrica e a carga crítica e aborda os efeitos relacionadosao emprego de bancos de supercapacitores na estabilidade de sistemascompostos por múltiplas fontes. Por fim, resultados de simulação eexperimentação são apresentados como forma de validar os conceitos. <br> / This work presents the procedures related to the practical implementation of a microgrid composed of 1 kW photovoltaic array, a 1 kW wind generator, a 1.2 kW fuel cell and a supercapacitor bank of 31,5 F/ 250V. The system, designed for allowing the uninterrupted maintenance of critical dc load, is able to operate in two distinct modes: grid-connected or stand alone. When in grid-connected mode, the main grid absorbs the extra generated power or complementing it, depending on the load requirements. In this mode, the fuel cell is never active due its high cost (Brazilian scenario). On the other hand, in standalone mode, the load demand is exclusively supplied by the renewable energy sources. However, the fuel cell is started only if there is not enough power provided by the photovoltaic array and wind turbine generator. Thus, the system autonomy is limited to the amount of stored hydrogen. Besides the analysis concerning the results from eight distinct scenarios, obtained by the combination of power generation and load demand, this work presents the methodologies related to the choice, design, size, and control of the employed power converters, discusses about the concept of decentralized generation, proposes a strategy to control the power flow among the renewable energy source, the main grid and the critical load and describes the effects of supercapacitor banks employment on the microgrid stability. Finally, results from simulation and experimentation are used in order to validate the concepts.

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. / Made available in DSpace on 2012-10-21T12:48:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho tem por objetivo a conversão cc/cc em altas densidades de potências e altas potências. Inicialmente, são revisados alguns trabalhos, demonstrando que a topologia trifásica é uma estrutura promissora para atingir o desempenho almejado, já que permite o uso de um núcleo trifásico, além de multiplicar a freqüência de projeto do filtro de saída por um fator de três a seis. Considerando-se que a comutação dissipativa ainda é um sério aspecto limitador ao uso desta estrutura, propõe-se o uso do comando assimétrico no comando dos interruptores do circuito inversor. Deste modo, obtém-se a comutação sob tensão nula em todos os interruptores do circuito inversor, utilizando-se apenas três indutores ressonantes e seis capacitores. Apresenta-se o estudo completo das etapas de operação desta topologia, bem como de sua comutação, realizando-se também a análise dinâmica e a elaboração de um procedimento de projeto. De posse do estudo teórico realizado, foi desenvolvido um protótipo de 6kW, a partir do qual foram obtidos os resultados experimentais. Visando-se a redução das perdas por condução no estágio retificador, propõe-se o uso de uma versão trifásica do retificador Hybridge. Empregando-se a mesma metodologia utilizada na topologia anterior, obteve-se um acréscimo de dois pontos percentuais no rendimento da estrutura, às custas do aumento no volume total do indutor do filtro de saída.

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.