Capes; Fundação Araucária / Este trabalho apresenta análises matemáticas, simulações e construção de protótipos referentes a um inversor fotovoltaico monofásico de dois estágios aplicado no processamento eletrônico da energia solar. Por se tratar de um inversor de dois estágios, este é composto por um conversor CC-CC e um CC-CA. Para o conversor CC-CC, destacam-se o isolamento galvânico em alta frequência e a comutação suave do tipo ZCS obtida na saturação e no bloqueio de todos os transistores da estrutura. Para o conversor CC-CA, destacam-se o grampeamento natural de tensão em todos os transistores em um valor correspondente à metade da tensão do barramento de entrada, as reduzidas derivadas de tensão durante as comutações e a tensão pulsada de três níveis obtida na sua saída. São as características típicas do inversor multinível NPC, proposto aqui, pela primeira vez, na composição de um inversor de dois estágios. O uso do inversor NPC geralmente implica em cuidados com a simetria das tensões provenientes dos capacitores do barramento CC de entrada, podendo envolver técnicas de modulação ou controle para esse fim. Nesta proposta, a simetria das tensões do barramento capacitivo do NPC é imposta pelo conversor CC-CC, operando em malha aberta. Todo o controle do inversor de dois estágios fica concentrado no estágio CC-CA. Este estágio regula a tensão do barramento CC e injeta corrente senoidal na rede elétrica comercial com fator de potência unitário. Especificações da estrutura: potência de saída 2kW; tensão de entrada do arranjo fotovoltaico 400V; tensão eficaz da rede elétrica 127V; frequência de chaveamento 20kHz. / This work presents mathematical analyzes, simulations and construction of prototypes for a single-phase dual-stage photovoltaic inverter applied to the electronic processing of solar energy. Because it is a two-stage inverter, it consists of a DC-DC converter and a DC-AC converter. For the DC-DC converter, highlight the high-frequency galvanic isolation and the soft switching of the ZCS type obtained in the saturation and in the blocking of all the transistors of the structure. For the DC-AC converter, highlight the natural voltage clamping on all transistors corresponds to one half of the input bus voltage, the reduced voltage derivatives during switching and the three-level pulsed voltage obtained at its output. These are typical characteristics of the NPC multilevel inverter, proposed in this work for the first time in the composition of a dual-stage inverter. The use of the NPC inverter usually involves taking care of the symmetry of the voltages coming from the input DC bus capacitors, may involve modulation techniques or control for this purpose. In this proposal, the DC-DC converter, operating in open loop, imposes the symmetry of capacitor bus voltage of the NPC. All control of the two-stage inverter is concentrated in the DC-AC stage. This stage regulates the DC bus voltage and injects sinusoidal current into the commercial grid with unit power factor. Structure specifications: 2kW output power; PV array input voltage 400V; 127V rms AC output voltage; 20kHz switching frequency.

A presente dissertação apresenta uma análise comparativa entre os resultados experimentais de dois retificadores monofásicos. Também apresenta o estudo e projeto de um retificador trifásico, o qual é destinado ao processamento de energia elétrica proveniente de aerogeradores de pequeno porte. Ambos retificadores possuem elevado fator de potência, são modulados por largura de pulso e são baseados no conversor CC-CC SEPIC operando no modo de condução descontínuo. Com a finalidade de validar os estudos teóricos, são apresentados os resultados obtidos via simulação numérica e os resultados experimentais obtidos de cada um dos três retificadores. As especificações dos retificadores monofásicos são: potência processada de 500W; tensão de entrada de 220V; tensão de saída de 200V; frequência de comutação de 50kHz. As especificações do retificador trifásico são as mesmas que a dos monofásicos, exceto, pela potência processada que é de 1,5kW. / The present master thesis presents a comparative analysis between the experimental results of two single-phase rectifiers. Also presents the study and design of a three-phase rectifier, which is intended for processing power from small wind turbines. Both rectifiers have high power factor, is modulated by pulse width and are based on DC-DC SEPIC converter operating in discontinuous conduction mode. In order to validate the theoretical studies, presents the results obtained by numerical simulation and experimental results for each of the three rectifiers. The specifications of the single-phase rectifiers are: processed power of 500W; input voltage of 220V; output voltage of 200V; 50kHz switching frequency. The specifications of the three-phase rectifier is the same as that of single phase, except that it is processed by the power of 1.5kW.

A utilização de luminárias baseadas em diodos emissores de luz (LED) é uma tendência para iluminação de interiores e para iluminação pública devido a sua alta durabilidade e eficiência. Apesar destas características desejáveis impulsionarem a utilização de LEDs na iluminação, a vida útil dos drivers utilizados para o acionamento de LEDs de potência, baseados em topologias tradicionais, pode ser inferior a vida útil do próprio LED. Estes drivers são, geralmente, constituídos de topologias que utilizam capacitores eletrolíticos, que tem baixa vida útil, principalmente, em altas temperaturas de operação. Assim, este trabalho propõe uma luminária LED para iluminação pública que seja baseada em drivers modulares. Esta metodologia, visa o aumento da vida útil dos drivers, bem como a manutenção do funcionamento da lâmpada mesmo quando um dos módulos falhar. O projeto dos drivers eletrônicos e a modelagem matemática dos conversores é apresentada. Além disso, são apresentados resultados experimentais obtidos através de um protótipo com 50W (dois módulos com potência média de 25W, cada um). / The use of LED based luminaires is a tendency for both indoor and street lighting, due to its high durability and efficiency. Despite these desirable features propel the use of LEDs on lighting systems, the lifespan of its drivers can be lower than the LED itself. Such drivers are usually based on topologies that make use of electrolytic capacitors, which present low durability, mainly in high temperatures. Therefore, this work proposes a LED luminaire for street lighting based on modular drivers. This approach intends to increase the lifetime of the drivers, as well as maintain the luminaire in operation even with one or more modules failure. The design of the electronic drivers and the technique used for the mathematical modeling of the converters are presented. Furthermore, the obtained experimental results from a prototype with rated power of 50W (two modules with rated power of 25W each one) are presented.

The switched reluctance generator emerged as an alternative generator and grew in interest among the scientific community during the last decade. It has a simple construction and comes up as a competitive option when one deals with variable speed applications and also when power electronics is required. Nowadays the most aimed applications are the aircraft applications, hybrid or electric vehicles and wind power. This machine has a doubly salient structure without copper in the rotor. The coils are concentrated in the stator poles. Thus, there is low copper and iron consumption and, because of it, this machine is closer to the modern environmental requirements. The switched reluctance generator driving uses power electronics and needs continuous information about the rotor position to drive properly the switches of the phases. The optimal design for this machine is still been established from the experimental results. Many operational details are under investigation. The machine has two different electrical circuits: one for the excitation and other when the load is fed. It is possible to insulate those two circuits and because of this it is also possible to reduce the electronic switches count. This work is helpful to understand how the SRG works. To get it the goals were to build a mathematical model for this machine and to simulate its operation. And than to know how it dynamically conducts. A prototype was constructed and used to test some driving circuits with it. Also it is presented an extensive comparative study. With this all this work presents a contribution for the development of this kind of machinery. / O gerador a relutância chaveado despertou interesse crescente na comunidade científica na última década. Esta máquina elétrica caracteriza-se por sua simplicidade construtiva e tem sido apresentada como uma alternativa competitiva quando é requerida eletrônica de potência, como ocorre nas aplicações em que a velocidade é continuamente variável. As aplicações mais visadas atualmente estão relacionadas à aeronáutica, aos veículos elétricos ou híbridos e à energia eólica. A máquina tem estrutura em dupla saliência, não tem enrolamentos no rotor e as bobinas do estator estão concentradas. Por isto consome menos cobre e aço e é vista como uma máquina elétrica mais próxima dos requisitos ambientais modernos. Seu acionamento necessita de eletrônica de potência e de informação contínua da posição do rotor, para estabelecer os instantes de energização das fases, para gerar energia elétrica. A técnica de projeto de geradores a relutância chaveados está se consolidando a partir de resultados experimentais. Mas vários aspectos operacionais estão sob investigação. O circuito elétrico do gerador a relutância chaveado tem duas malhas elétricas, uma durante a excitação e outra durante a geração. Seu acionamento pode utilizar conversores com contagem reduzida de chaves semicondutoras. O presente trabalho ajuda a compreender o funcionamento do gerador a relutância chaveado e a sua modelagem matemática. Simulações são apresentadas para detalhar a dinâmica das suas partes. Um protótipo foi construído e usado para ajustar os circuitos de acionamento e realizar estudos experimentais, e com isto contribuir para o desenvolvimento desse tipo de máquina elétrica. / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Due to the considerable increase of electronic power processing devices in various segments of industry it becomes necessary to control and limit the current harmonic content injected into the distribution systems through the development of pre-regulator converters. In this context, this paper presents an analysis of a hybrid three-phase rectifier developed for power factor correction to be used as an utility interface of power electronics converters. The proposed structure is composed of an ordinary three-phase six-pulse diode-bridge rectifier (Graetz Bridge) with a parallel connection of single-phase SEPIC converters in each threephase rectifier leg. The main feature of the proposed structure is the power sharing technique which assures robustness, cost reduction and high reliability. In this work, is presented a complete discussion about the controlled rectifier s power contribution and also a complete analysis concerning the total harmonic distortion of current. Mathematical modeling analysis using state variables is presented. Experimental results of 5 kW laboratory prototype using DSP-based control technique are presented in order to corroborate with the theoretical analysis. / Devido ao considerável aumento dos dispositivos eletrônicos que processam potência nos vários segmentos da indústria, torna-se necessário controlar e limitar o conteúdo harmônico de corrente injetado nos sistemas de distribuição através do desenvolvimento de conversores pré-reguladores. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise do retificador híbrido trifásico desenvolvido para correção do fator de potência, que será utilizado como uma interface para conversores eletrônicos. A estrutura proposta é composta por um retificador trifásico de seis pulsos (Ponte de Graetz) com uma conexão em paralelo de conversores SEPIC monofásicos com cada braço do retificador trifásico. A principal característica da estrutura proposta é a técnica de divisão de processamento de potência que garante robustez, redução de custos e alta confiabilidade. Neste trabalho, é apresentada uma discussão completa sobre a contribuição de potência dos retificadores controlados e também uma análise completa sobre a distorção harmônica total de corrente. Uma análise por modelagem matemática utilizando variáveis de estado é apresentada. Resultados experimentais para um protótipo de laboratório de 5 kW utilizando uma técnica de controle baseada em DSP são apresentados, corroborando com a análise teórica. / Mestre em Ciências

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A complete study of a topology resulting from a combination of two Forward structures, attached to the same magnetic core of a transformer and operating as a Full-Bridge converter is presented. In order to reduce the switching losses and the electromagnetic interference, a soft commutation cell that provides ZCS commutation of all the switches is implemented. This converter limits the current on the main switches at the load current because diverts the sinusoidal half cycle to a auxiliary switch. This way, a new Double Forward On-Off ZCS was developed. / Um estudo completo de uma topologia, resultante de uma combinação entre duas estruturas Forward, acopladas ao mesmo núcleo magnético de um transformador, e operando como um conversor Full-Bridge, é apresentado. Com o objetivo de reduzir as perdas por chaveamento e a interferência eletromagnética, uma célula de comutação não dissipativa, que fornece uma comutação ZCS para todas as chaves do conversor é implementada. Este conversor limita a corrente nas chaves principais ao valor da corrente nominal, pois desvia o semiciclo senoidal da corrente ressonante para uma chave auxiliar. Deste modo, um novo conversor Duplo Forward On-Off ZCS é obtido. / Mestre em Ciências

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.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.

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.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de um novo microinversor de estágio único para aplicação em sistemas fotovoltaicos. A topologia apresentada é baseada na combinação do conversor Cuk com uma estrutura de indutores chaveados para obtenção de um maior ganho estático e um circuito inversor em ponte completa conectado à rede. A estrutura de indutores chaveados apresentada nesse trabalho reduz esforços de tensão e corrente nas chaves semicondutoras. Com o objetivo de facilitar o controle, a etapa CC do microinversor opera em modo de condução descontínua (DCM). Para injetar corrente senoidal com baixa distorção harmônica à rede, é aplicado às chaves semicondutoras da etapa CC uma modulação por largura de pulso senoidal (SPWM). As chaves semicondutoras do circuito inversor em ponte completa são comandadas na frequência da rede, reduzindo perdas por chaveamento. Por se tratar de uma topologia inédita, são apresentados os modos de operação e a análise matemática do conversor CC-CC Cuk com alto ganho estático. Posteriormente, são realizadas a análise teórica e a estratégia de controle do microinversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir o funcionamento da topologia proposta, através de simulações e da implementação de um protótipo de 180 W. / The development of a novel single stage microinverter is proposed. The presented topology is based on the combination of the Cuk converter with a switched inductor structure to obtain a higher static gain, and a full-bridge inverter circuit. The presented switched inductor structure reduces voltage and current stresses on the power switches. In order of simplify the control, the stage CC of the microinverter operate in discontinuous conduction mode (DCM). To inject sinusoidal current with low harmonic distortion to the grid, a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied in the power switches. The switches of the full-bridge invertes are commanded in low frequency, in order to reduce switching losses. Operation modes and math analysis of the novel CC-CC converter are presented. Moreover, the math analysis and control strategy of proposed microinverter topology are exposed. Furthermore, experimental results are performed to analyze the proposed topology operation, by software simulations and implementation of a 180 W prototype.