Este trabalho visa o estudo das regiões de operação de conversores CC/CC isolados bidirecionais do tipo DAB (Dual Active Bridge). É feito um estudo do comportamento do circuito com a variação dos valores das reatâncias de acoplamento, avaliando-se aspectos como eficiência, fator de potência, reativos, entre outros. A seguir é proposta uma estrutura de controle que permite a operação com tensões nos barramentos DC diferentes das nominais, minimizando as correntes absorvidas. Além disso, propõe-se uma estratégia de controle para regular a potência transferida. O trabalho inclui modelagem teórica, implementação em simulação computacional e medidas em protótipo experimental. / This work investigates operation regions of Dual Active Bridge DC-DC isolated bidirectional converters, studying circuit behavior with the variation of the coupling reactance, evaluating parameters like efficiency, power factor, reactive flow etc. A control structure is proposed which allows operating with DC voltages different from nominal voltages, reducing the AC currents. Furthermore, a control strategy to regulate the power transferred is proposed. Methodology includes theoretical modeling, computer simulation and experimental prototype measurements.

Este trabalho visa o estudo das regiões de operação de conversores CC/CC isolados bidirecionais do tipo DAB (Dual Active Bridge). É feito um estudo do comportamento do circuito com a variação dos valores das reatâncias de acoplamento, avaliando-se aspectos como eficiência, fator de potência, reativos, entre outros. A seguir é proposta uma estrutura de controle que permite a operação com tensões nos barramentos DC diferentes das nominais, minimizando as correntes absorvidas. Além disso, propõe-se uma estratégia de controle para regular a potência transferida. O trabalho inclui modelagem teórica, implementação em simulação computacional e medidas em protótipo experimental. / This work investigates operation regions of Dual Active Bridge DC-DC isolated bidirectional converters, studying circuit behavior with the variation of the coupling reactance, evaluating parameters like efficiency, power factor, reactive flow etc. A control structure is proposed which allows operating with DC voltages different from nominal voltages, reducing the AC currents. Furthermore, a control strategy to regulate the power transferred is proposed. Methodology includes theoretical modeling, computer simulation and experimental prototype measurements.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Felipe Simoes Freitas e Silva.pdf: 5795737 bytes, checksum: dc589a2115d1b568db1a3c2b9de3f80c (MD5) Previous issue date: 2014-04-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents the study, modelling and assembling of a three-phase bidirectional DCAC converter suitable for operating as an interface between an energy storage system based on a battery bank and an isolated microgrid. The converter consists of two stages: a DC-DC stage implemented with a bidirectional half-bridge converter that operates on buck or boost mode (during charge or discharge of the ESS, respectively), and a DC-AC full-bridge three-phase bidirectional inverter. The two stages are connected through a DC link, which also works as a power-decoupling element. Isolation from the microgrid is obtained with a :-Y low frequency transformer. A control strategy is proposed where the DC-DC stage regulates the DC link voltage level while the DC-AC controls the three-phase output voltage and frequency, therefore acting as a grid-forming converter (GFC). A 15kW prototype was successfully built and tested in different situations. Simulation and experimental results are shown. / Esta dissertação apresenta o estudo, modelagem e montagem de um conversor bidirecional CC-CA trifásico de múltiplos estágios, projetado para operar como interface entre um sistema de armazenamento e uma minirrede isolada. O conversor consiste de dois estágios de conversão: um estágio de conversão CC-CC, implementado com um conversor buck-boost de meia ponte, que opera em modo buck ou boost (durante o carga ou descarga do sistema de armazenamento, respectivamente), e um estágio de conversão CC-CA composto por um conversor CC-CA trifásico. Os dois estágios são conectados por um elo CC, que funciona como um elemento de desacoplamento de potência. Isolação galvânica é obtida através de um transformador de baixa frequência. Uma estratégia de controle é utilizada na qual o estágio CC-CC controla a tensão do elo CC enquanto o estágio CC-CA controla a tensão e a frequência da minirrede, atuando, portanto, como um conversor formador de rede (CFR). Um protótipo foi montado e testado em diferentes situações. Resultados de simulação e de testes de bancada são mostrados.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work presents the analysis, design example, simulations and experimental results on a soft-switching bidirectional isolated three-phase dc-dc converter using dual phase-shift control with variable duty cycle. The topology uses three single H-bridges in the primary side and a three-phase inverter in the secondary side. High-frequency isolation is ensured by using three single-phase transformers connected in open delta-wye configuration. The variation of both phase-shift (PS) angles between the H-bridge legs and/or primary and secondary sides allows controlling the power flow, while reduced reactive power flow is possible. The variable duty cycle is used to ensure a constant voltage bus and/or zero voltage switching (ZVS) operation. A detailed analysis is presented considering a model based on the fundamental components for the voltages and currents in the transformer and, aiming its validation, a second analysis from the operation stages of the converter has also been developed. Besides, the dynamic model of the converter, based on fundamental components and employing the gyrator theory has been developed. A design example with nominal values assumptions, stresses and specifications for components, discrete control system characterization and its FPGA programming are presented. Simulation and experimental results in steady state and closed-loop performance are presented and discussed to validate the proposed approach. / Este trabalho apresenta a anÃlise, exemplo de projeto, simulaÃÃes e resultados experimentais de um conversor CC-CC trifÃsico isolado bidirecional com comutaÃÃo suave, dual phase shift (DPS) e razÃo cÃclica variÃvel. A topologia utiliza trÃs pontes H monofÃsicas no lado primÃrio e um inversor trifÃsico no lado secundÃrio. A isolaÃÃo em alta frequÃncia à garantida utilizando-se trÃs transformadores monofÃsicos conectados em uma configuraÃÃo delta aberto/estrela. A variaÃÃo de ambos os Ãngulos de deslocamento de fase, entre os braÃos de uma ponte H e/ou entre os lados primÃrio e secundÃrio, permitem o controle do fluxo de potÃncia. Esta flexibilidade garante a obtenÃÃo de um baixo conteÃdo reativo na anÃlise de projeto da topologia. A razÃo cÃclica variÃvel à utilizada para assegurar um barramento constante e uma operaÃÃo dos interruptores com comutaÃÃo suave. Uma anÃlise matemÃtica da estrutura à apresentada considerando um modelo baseado em componentes fundamentais e, com o propÃsito de comprovar a validade deste modelo, uma segunda anÃlise a partir das etapas de operaÃÃo do conversor tambÃm foi desenvolvida. O modelo dinÃmico do conversor, baseado nas componentes fundamentais, tambÃm foi concebido com auxÃlio da teoria do gyrator. Um exemplo de projeto, com a obtenÃÃo de valores nominais, esforÃos e especificaÃÃes dos componentes, caracterizaÃÃo do sistema de controle discreto e sua programaÃÃo atravÃs de FPGA sÃo desenvolvidos. SimulaÃÃes e resultados experimentais do conversor operando em regime permanente e dinÃmico sÃo apresentados para validar o modelo proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a design methodology and analysis of electronic circuits applied to outdoor lighting systems using light emitting diodes (LEDs). The goal of topologies developed here is to supply the LEDs from the mains, with high power factor, and from batteries when it is needed. Thus, some topologies employing integrated DC-DC converters and single stage converters are proposed and analyzed. The main application of these topologies is street lighting systems without energy consumption from the mains during the Peak Load Time, feeding the circuit by batteries. Moreover, the batteries can keep the system working during a possible fault in the main power supply, operating as an emergency lighting system. These applications are justified by the reduction in energy demand from the electric power system and by the increase in the lighting system reliability. Throughout the work, the main characteristics of the LED and batteries applied in lighting systems are presented, as well as the specification of the luminaire and the battery bank employed. The design methodology proposed for each topology aims to help the converter design intended for better utilization of semiconductors and reduce the value of the bus capacitor. A critical analysis of the converters is performed in order to evaluate the efficiency of the circuits, the power factor, the voltage and current characteristics of the main devices, and compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard that limits the harmonic content of the input current. Finally, electronic circuits are proposed for the management and control of the lighting system. / Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto e análise de circuitos eletrônicos aplicados à iluminação de exteriores empregando diodos emissores de luz (LEDs). O objetivo das topologias desenvolvidas neste trabalho é proporcionar aos LEDs uma alimentação adequada através da rede elétrica, com alto fator de potência, e através de baterias quando necessário. Para isso, são propostas e analisadas algumas topologias empregando conversores CC-CC integrados e de estágio único. Estas topologias têm como principal aplicação sistemas de iluminação pública sem consumo de energia a partir da rede elétrica durante o Horário de Ponta, alimentando o circuito por baterias. Além disso, as baterias podem manter o funcionamento do sistema durante uma possível falha no fornecimento de energia pela rede elétrica, operando como um sistema de iluminação de emergência. Estas aplicações são justificadas pela redução da demanda de energia do sistema elétrico de potência durante horários críticos e aumento da confiabilidade do sistema de iluminação pública. Ao longo do trabalho, as principais características do LED e de baterias aplicadas em sistemas de iluminação são abordadas, juntamente com a especificação da luminária e do banco de baterias empregados. A metodologia de projeto proposta para cada topologia desenvolvida tem por objetivo auxiliar o projeto do conversor visando melhor aproveitamento dos semicondutores e redução do valor do capacitor de barramento. A análise crítica dos conversores é realizada com o objetivo de avaliar a eficiência dos circuitos, o fator de potência, características de tensão e de corrente nos principais componentes e o atendimento à norma IEC 61000-3-2 Classe C que limita o conteúdo harmônico da corrente de entrada. Por fim, são propostos circuitos eletrônicos para o gerenciamento e controle do sistema de iluminação.