Além da transferência de energia elétrica por meio de condutores sólidos que interligam carga e fonte elétrica, existem formas alternativas que, por não necessitarem de conexão mecânica, permitem maior mobilidade espacial para a carga e trazem inúmeras novas possibilidades de aplicação. Dentre estas formas alternativas está a Transferência Indutiva de Potência, que possui desafios claros no que diz respeito ao projeto do sistema magnético formado pelos indutores emissor e receptor, quando entre eles existe acoplamento magnético muito reduzido. A retirada do núcleo magnético sólido entre emissor e receptor confere a possibilidade de o receptor se mover em relação ao emissor, o que permite a transferência de potência a uma carga móvel. Contudo, o baixo coeficiente de acoplamento magnético torna o sistema fracamente acoplado sensível a variações tanto no circuito ressonante que o alimenta quanto na própria geometria magnética, onde pequenas modificações dimensionais resultam em significativos ganhos de potência no receptor. Esta tese apresenta inicialmente um conjunto de rotinas computacionais que agilizam o projeto de sistemas fracamente acoplados contendo emissores e receptores circulares ou espirais. Estas rotinas agem como pré e pós-processadores do Método dos Elementos Finitos, que por sua vez é solucionado por um aplicativo bidimensional gratuito. Com esta abordagem, é possível desenvolver rapidamente acopladores magnéticos com parâmetros realísticos, cuja montagem experimental demonstra excelente conformidade com os resultados teóricos. Um grupo de onze acopladores magnéticos diferentes é avaliado nesta tese como demonstração de que a otimização de parâmetros geométricos é relevante para a maximização de potência no receptor. Compara-se também o desempenho de acopladores Bipolar, Duplo D e Duplo D Quadratura. Após evidenciar relações geométricas e magnéticas para os diversos acopladores, verifica-se por meio de estudos de sensibilidade paramétrica, que não apenas a geometria do sistema fracamente acoplado influencia em seu desempenho, mas também a escolha dos parâmetros das malhas ressonantes conectadas ao emissor e ao receptor. Disto se conclui sobre a importância da Análise de Sensibilidade em Transferência Indutiva de Potência, pois, como demonstrado, certas malhas ressonantes são naturalmente mais tolerantes a variações do coeficiente de acoplamento magnético do que outras, por exemplo, aquelas em que há compensação do tipo paralelo no emissor. Por fim, o trabalho dedica-se ao estabelecimento de critérios para a ocorrência do fenômeno de bifurcação, segundo o qual múltiplas frequências de ressonância podem ocorrem em um conversor em frequência variável, a depender da carga conectada ao receptor e dos fatores de qualidade dos indutores. O equacionamento, obtido numericamente e que foi generalizado para casos em que existem múltiplos receptores, permite boa previsibilidade a respeito do comportamento dinâmico de sistemas variáveis em frequência. / In addition to the transfer of electrical energy by means of solid conductors that interconnect electrical source and load, there are alternative ways that does not require mechanical connection and allow spatial mobility to the load bringing numerous new application possibilities. Among these alternative forms is Inductive Power Transfer, which has clear challenges with respect to the magnetic system design formed by emitter and receiver inductors, since there is very little magnetic coupling between them. The removal of the solid magnetic core between emitter and receiver introduces the possibility of moving receivers. However, the low magnetic coupling coefficient makes the loosely coupled system sensitive to variations in both the resonant circuit parameters and the magnetic geometry, where small dimensional changes result in significant power gains in the receiver. This thesis initially presents a set of computing routines that allows the design of loosely coupled systems containing circular or spiral inductors. These routines act as pre- and post-processors for Finite Element Method, which in turn is solved by a free two-dimensional application. With this approach one can quickly develop magnetic couplers with realistic parameters, which is demonstrated by comparison between experimental and theoretical results. A group of eleven different magnetic couplers is evaluated as a proof that the optimization of geometric parameters is relevant to maximizing the power of the receiver. Moreover, the performance of Bipolar, Double D and Double D Quadrature couplers are studied. Later, it is verified by means of parametric sensitivity analysis that not only the geometry of the loosely coupled system influences its performance, but also the choice of the parameters of the resonant converters connected to emitter and receiver. The sensitivity analysis of Inductive Power Transfer converters was found to be of great importance because, as shown by a numerical example, certain resonant topologies can be naturally more tolerant to variations in the magnetic coupling coefficient than others. Finally, the work is dedicated to the establishment of precise criteria for the occurrence of bifurcation phenomenon whereby multiple resonant frequencies can occur in a converter under variable frequency excitation, depending on the load connected to the receiver and the quality factors of inductors. The equations obtained numerically were generalized for cases where there are multiple receivers and allow good predictability about the dynamic behavior of variable frequency systems.

Além da transferência de energia elétrica por meio de condutores sólidos que interligam carga e fonte elétrica, existem formas alternativas que, por não necessitarem de conexão mecânica, permitem maior mobilidade espacial para a carga e trazem inúmeras novas possibilidades de aplicação. Dentre estas formas alternativas está a Transferência Indutiva de Potência, que possui desafios claros no que diz respeito ao projeto do sistema magnético formado pelos indutores emissor e receptor, quando entre eles existe acoplamento magnético muito reduzido. A retirada do núcleo magnético sólido entre emissor e receptor confere a possibilidade de o receptor se mover em relação ao emissor, o que permite a transferência de potência a uma carga móvel. Contudo, o baixo coeficiente de acoplamento magnético torna o sistema fracamente acoplado sensível a variações tanto no circuito ressonante que o alimenta quanto na própria geometria magnética, onde pequenas modificações dimensionais resultam em significativos ganhos de potência no receptor. Esta tese apresenta inicialmente um conjunto de rotinas computacionais que agilizam o projeto de sistemas fracamente acoplados contendo emissores e receptores circulares ou espirais. Estas rotinas agem como pré e pós-processadores do Método dos Elementos Finitos, que por sua vez é solucionado por um aplicativo bidimensional gratuito. Com esta abordagem, é possível desenvolver rapidamente acopladores magnéticos com parâmetros realísticos, cuja montagem experimental demonstra excelente conformidade com os resultados teóricos. Um grupo de onze acopladores magnéticos diferentes é avaliado nesta tese como demonstração de que a otimização de parâmetros geométricos é relevante para a maximização de potência no receptor. Compara-se também o desempenho de acopladores Bipolar, Duplo D e Duplo D Quadratura. Após evidenciar relações geométricas e magnéticas para os diversos acopladores, verifica-se por meio de estudos de sensibilidade paramétrica, que não apenas a geometria do sistema fracamente acoplado influencia em seu desempenho, mas também a escolha dos parâmetros das malhas ressonantes conectadas ao emissor e ao receptor. Disto se conclui sobre a importância da Análise de Sensibilidade em Transferência Indutiva de Potência, pois, como demonstrado, certas malhas ressonantes são naturalmente mais tolerantes a variações do coeficiente de acoplamento magnético do que outras, por exemplo, aquelas em que há compensação do tipo paralelo no emissor. Por fim, o trabalho dedica-se ao estabelecimento de critérios para a ocorrência do fenômeno de bifurcação, segundo o qual múltiplas frequências de ressonância podem ocorrem em um conversor em frequência variável, a depender da carga conectada ao receptor e dos fatores de qualidade dos indutores. O equacionamento, obtido numericamente e que foi generalizado para casos em que existem múltiplos receptores, permite boa previsibilidade a respeito do comportamento dinâmico de sistemas variáveis em frequência. / In addition to the transfer of electrical energy by means of solid conductors that interconnect electrical source and load, there are alternative ways that does not require mechanical connection and allow spatial mobility to the load bringing numerous new application possibilities. Among these alternative forms is Inductive Power Transfer, which has clear challenges with respect to the magnetic system design formed by emitter and receiver inductors, since there is very little magnetic coupling between them. The removal of the solid magnetic core between emitter and receiver introduces the possibility of moving receivers. However, the low magnetic coupling coefficient makes the loosely coupled system sensitive to variations in both the resonant circuit parameters and the magnetic geometry, where small dimensional changes result in significant power gains in the receiver. This thesis initially presents a set of computing routines that allows the design of loosely coupled systems containing circular or spiral inductors. These routines act as pre- and post-processors for Finite Element Method, which in turn is solved by a free two-dimensional application. With this approach one can quickly develop magnetic couplers with realistic parameters, which is demonstrated by comparison between experimental and theoretical results. A group of eleven different magnetic couplers is evaluated as a proof that the optimization of geometric parameters is relevant to maximizing the power of the receiver. Moreover, the performance of Bipolar, Double D and Double D Quadrature couplers are studied. Later, it is verified by means of parametric sensitivity analysis that not only the geometry of the loosely coupled system influences its performance, but also the choice of the parameters of the resonant converters connected to emitter and receiver. The sensitivity analysis of Inductive Power Transfer converters was found to be of great importance because, as shown by a numerical example, certain resonant topologies can be naturally more tolerant to variations in the magnetic coupling coefficient than others. Finally, the work is dedicated to the establishment of precise criteria for the occurrence of bifurcation phenomenon whereby multiple resonant frequencies can occur in a converter under variable frequency excitation, depending on the load connected to the receiver and the quality factors of inductors. The equations obtained numerically were generalized for cases where there are multiple receivers and allow good predictability about the dynamic behavior of variable frequency systems.

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Neste trabalho, apresentou-se o estudo de um gerador eletrocirúrgico utilizando um conversor ressonante. Com o intuito de realizar procedimentos cirúrgicos, o bisturi elétrico, ou eletrônico, apresenta grandes vantagens ao método clássico do bisturi de aço inoxidável. Para conseguir os efeitos terapêuticos desejados, corte e coagulação, sem que haja qualquer estímulo nervoso, utiliza-se sinal senoidal com alta frequência. Os conversores ressonantes são estruturas chaveadas que operam em elevadas frequências com baixas perdas, logo, alto rendimento. Fez-se, então, um estudo sobre as estruturas inversoras e os filtros ressonantes. A sequência do trabalho trata da análise da estrutura proposta (Full-Bridge – LCLC – ZVS – FM) demonstrando as etapas envolvidas em um ciclo de chaveamento do conversor e o seu equacionamento. A partir de uma metodologia para calcular os parâmetros do filtro, definiram-se os valores das indutâncias e das capacitâncias séries e paralelas. Projetou-se o controlador pormeio de umametodologia que visa o controle pelos valores de pico das formas de onda. Realizaram-se simulações dos modos de operação desejados e observaram-se os valores encontrados da tensão de saída, da corrente de saída, da corrente de entrada e a comutação ZVS para variadas cargas. Implementou-se um protótipo do qual os resultados práticos obtidos são apresentados e discutidos. / Abstract: In this work, a study of an electrosurgical generator was presented using a resonant converter. In order to perform surgical procedures, electric or electronic scalpel presents great advantages to the classic method of the stainless steel scalpel. To achieve the desired therapeutic effects, cutting and coagulation, without any nerve stimulation, sine wave signal is applied with high frequency. Resonant converters are switched structures that operate at high frequencies with low losses, hence, high efficiency. A study was then made about inverter structures and resonant filters. The work sequence was the analysis of the proposed structure (Full-Bridge LCLCZVS- FM) demonstrating the steps involved in a converter switching cycle and its equation. From a methodology to calculate filter parameters, values of series and parallel inductances and capacitances were defined. The controller was designed using a methodology that controls the peak values of the waveforms. Simulations of the desired modes of operation were executed out and the values of output voltage, output current, input current and ZVS switching were observed for various loads. A prototype was implemented and the results obtained are presented and discussed. / Mestre

Orientador: Carlos Alberto Canesin / Resumo: Esta tese apresenta uma forma inédita para o carregamento de veículos elétricos (VE) puros em movimento, sem fios e sem acoplamentos mecânicos (dynamic Wireless Power Transfer - dynamic WPT), considerando a transferência indutiva de energia (Induced Power Transfer - IPT), a partir de uma proposta sem sensores (WPT sensorless), combinando um arranjo de elementos transmissores, especialmente desenvolvidos para um estudo de caso. A estrutura de potência emprega um conversor ressonante LLCC série-paralelo operando em modo contínuo com modulação com frequência fixa e deslocamento de fase, com controle realimentado indiretamente para a corrente de saída. Além da metodologia utilizada para a proposta deste trabalho, o texto apresenta um projeto de carregamento estático compatível com o sistema de carregamento dinâmico e, também, uma comparação entre possíveis estruturas ressonantes de terceira e quarta ordens compatíveis com os elementos IPT, apresentando-se as vantagens e as desvantagens para cada estrutura. O carregador dinâmico foi aplicado experimentalmente para um veículo elétrico (VE) puro, em pequena escala de potência (mini baja elétrico), constituído por oito elementos IPTs associados em série como emissor, resultando em um acoplamento mútuo constante para o receptor IPT no VE por uma extensão de 1150 mm, a uma distância entre emissor e receptor, de 35 mm. Os resultados experimentais obtidos apresentam elevado rendimento médio (86,4 %) para o processo de transferência de po... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This thesis proposes a novel design to pure electrical vehicle (EV) dynamic charging electrical contactless and without mechanical coupling (dynamic Wireless Power Transfer - dynamic WPT), considering the induced power transfer, by a propose WPT sensorless, combining a transmitter element arrangement particularly designed for this study case. The power structure uses a LLCC series-parellel resonant converter, in continuous conduction mode with phase shift modulation and fixed frequency, applying a feedback indirect control for the output current. In addition to methodology in the present proposal, this paper shows a static wireless power transfer project works with the dynamic charging, and also a potential structure comparation of third and fourth order resonant compatible with the IPT elements, showing the advantages and disadvantages for each resonant tank. The dynamic charging is presently being piloted in a pure electrical vehicle, in small scale power (mini electric baja), it is made up of eight IPT elements in series association as emitter, resulting in a constant mutual coupling with IPT receiver in the EV, by a range of 1150 mm, with a distance between emitter and receiver of 35 mm. The experimental results obtained show a high average efficiency (86.4%) for the wireless power transfer process over the entire length of the loader, for the nominal input power condition of 1300 W. / Doutor

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-02-11T13:22:33Z No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 19972618 bytes, checksum: 95d8213caa2ed63781c9a0e651a913c6 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-02-26T12:01:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 19972618 bytes, checksum: 95d8213caa2ed63781c9a0e651a913c6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-26T12:01:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 19972618 bytes, checksum: 95d8213caa2ed63781c9a0e651a913c6 (MD5) Previous issue date: 2014-12-11 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo sobre o acionamento de diodos emissores de luz (LEDs) a partir da rede elétrica. Este estudo envolve uma análise sobre as características térmicas, elétricas e fotométricas dos LEDs visando a adequada caracterização estática e dinâmica da carga. Em seguida, com o objetivo de propor conversores com uma eficiência global superior, propõe-se a utilização de conversores ressonantes como estágio de controle de potência. Este estágio é precedido de um estágio pré-regulador do fator de potência, de forma a garantir uma baixa distorção harmônica total da corrente drenada da rede. Um estudo sistemático acerca das topologias de correção do fator de potência e de conversores ressonantes que podem compor cada um destes dois estágios é feito, visando compilar as características, vantagens e desvantagens de cada uma para o acionamento de LEDs. A partir deste estudo, foi possível propor uma estrutura integrada de conversor ressonante com um pré-regulador de alto fator de potência, que se mostrou adequado para acionar uma carga de 72 LEDs associados em série, com uma potência nominal aproximada de 100 W. O protótipo do conversor proposto atingiu uma eficiência global acima de 92%, com um fator de potência superior a 0,97 e distorção harmônica da corrente de entrada de cerca de 20%, com total observância aos parâmetros de qualidade de energia impostas pelas normatizações nacional e internacional. O projeto deste conversor também permitiu a eliminação dos capacitores eletrolíticos no circuito de potência do protótipo através da redução da capacitância; somente foram empregados capacitores de filme metalizado, o que contribui para elevar a vida útil do conversor, compatibilizando-a com a vida útil dos LEDs sendo acionados. / This work presents a study regarding the driving of light-emitting diodes (LEDs) fed from mains power. This study involves an analysis of the thermal, electrical and photometrical characteristics of the LEDs, aiming an adequate static and dynamical characterization of the load. Then, with the goal of proposing driving converters with a superior global efficiency, it is proposed the use of resonant conversion as the power control stage of the LED drivers. This stage is preceded by a power factor pre-regulator stage, so that a low total harmonic distortion on the input current can be achieved. A systematic study of the power factor correction topologies and resonant converters which might compose each of these two stages is done, therefore compiling the characteristics, advantages and disadvantages of each for the driving of LEDs. From this study, it was proposed an integrated converter structure of a resonant converter with a high power factor pre-regulator, which showed good compliance when driving an LED load composed of 72 series-associated LEDs, with nominal power of ca. 100 W. A prototype of the proposed converter has reached a global efficiency above 92%, with a power factor greater than 0.97 and total harmonic distortion of input current of ca. 20%, along with total compliance with the power quality parameters imposed by national and international standards. The design of this converter also permitted the elimination of the electrolytic capacitors from within the power circuitry of the prototype through capacitance reduction; only metalized film capacitors were employed, contributing to enhance the lifespan of the converter, making it compatible with the lifespan of the LEDs being driven.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Piezoelectric transformers (PTs) allow the design of promising power supply applications, increasing efficiency, reducing size, facilitating the achievement of high transformation ratio, besides providing high immunity against electromagnetic noise. Due to the electrical equivalent model having resonant characteristics, some resonant topologies are naturally suitable for these power supplies, i.e. the Class- E, Half-Bridge, Full-Bridge and Push-pull. Among these topologies, the Class-E converter has a highlight of having one controlled switch. The static gain of the Class-E is changed through the switching frequency variation, while the duty cycle is adjusted with the purpose of achieving soft switching for different switching frequencies and loads. The analisys of this process becomes complex when the system has a high number of reactive elements. One way to simplify this analisys is applying a normalized methodology. On this regard, the first result of this work is the normalized analisys of the functionally of the Class-E converter, including normalized load and switching frequency variation. This allows choosing one optimum point for the static design, without the necessity of design parameters. The main objective of this analisys is the obtention of the duty cycle behavior in order to have soft switching for all operation points. In a second moment, a small-signal model was derived using the generalized averaging method, through Fourier series aproximation. The model describes the relevant poles and zeros of the system, being accurate enough for different loads and switching frequencies. The behavior of resonant converters changes considerably for different operating points; therefore it is important to have a model that represents the system well. The normalized analisys allowed simplifying the small-signal model derivation, once soft switching is achieved for all the operation points. Experimental measurements validate either the normalized or the small signal derivation methodologies. The measurements were achieved for a 3W step-down converter, with universal 85-265 V AC input and 6 V DC output. / Os Transformadores Piezoelétricos (PTs) permitem o projeto de aplicações promissoras para fontes de alimentação até 100W, melhorando a eficiência, reduzindo o tamanho, facilitando a obtenção de grandes relações de transformação, além de proporcionar alta imunidade contra ruídos eletromagnéticos e interferências. Os PTs apresentam modelo elétrico ressonante, trazendo a necessidade de implementação juntamente com topologias de conversores ressonantes, como por exemplo os conversores: Classe-E, Meia Ponte, Ponte Completa e Push-pull. Dentre estas topologias, o conversor Classe-E se destaca por apresentar somente um interruptor controlado. O ganho estático do conversor Classe-E é obtido através da variação da freqüência de chaveamento, e a razão cíclica muda para atender as condições de comutação suave para diferentes freqüências e cargas. A análise deste processo se torna complexa à medida que o sistema apresenta inúmeros elementos reativos. Uma maneira de simplificar esta análise é utilizar uma metodologia normalizada. Devido a isso, o primeiro resultado deste trabalho é a análise normalizada do funcionamento do conversor piezoelétrico Classe- E, incluindo variação normalizada da frequênciade operação e da carga. Isso permite escolher um ponto ótimo de projeto estático, sem a necessidade de parâmetros de projeto. O objetivo principal desta análise normalizada é a obtenção do comportamento da razão cíclica para obter comutação suave em todos os pontos de operação. Em um segundo momento, um modelo de pequenos sinais foi derivado utilizando a metodologia do modelo médio generalizado, através de aproximação por series de Fourier. O modelo descreve os pólos e zeros relevantes do sistema, sendo suficientemente preciso para diferentes cargas e da frequencias de operação. O comportamento de conversores ressonantes varia consideravelmente para diferentes pontos de operação, pois isso um modelo que permita avaliar estes pontos de maneira precisa se faz importante. A análise normalizada permitiu simplificar a derivação do modelo de pequenos sinais, uma vez que garante a operação em comutação suave. Para validar a metodologia apresentada, são mostrados resultados experimentais para um conversor abaixador de 3W, entrada universal de 85-260 V AC e saída de 6 V DC.