Orientador: Falcondes José Mendes de Seixas / Resumo: Este trabalho tem como objetivo a proposição de um retificador trifásico boost semi-controlado, com correção ativa do fator de potência, que faça uso de técnicas de controle de razão cíclica variável, visando reduzir o conteúdo harmônico de corrente em baixa frequência. O conversor proposto opera em modo de condução descontínua, desta forma, a corrente de entrada segue uma envoltória senoidal. Além disso, devido ao modo de condução, o conversor apresenta a entrada em condução da chave com corrente nula, diminuindo assim, as perdas por chaveamento. Inicialmente, são apresentados, estudos teóricos da topologia em questão e, por meio de gráficos e equações, verifica-se a distorção harmônica imposta devida à operação com razão cíclica constante. Funções que permitam a variação permanente da razão cíclica, durante um ciclo da rede, serão apresentadas. Tais funções possuem o intuito de minimizar a distorção harmônica da corrente de entrada, com foco principal na 5ª componente harmônica. Resultados de simulação demonstram eficácia das técnicas de controle por razão cíclica variável e apontam redução no conteúdo harmônico de corrente. Resultados experimentais demonstram conteúdo harmônico de corrente em torno de 18% para operação do conversor com razão cíclica constante. A utilização de razão cíclica variável proporciona uma redução no conteúdo harmônico de corrente para 13%, resultando em um aumento do fator de potência. / Abstract: This work aims propose a three-phase rectifier boost half-controlled, with power factor correction, that makes use variable duty cycle control techniques, in order to reduce the harmonic content of current in low frequency. The proposed converter operates in a discontinuous current conduction mode, this way, the input current is naturally corrected. Moreover, due to the conduction mode, the converter presents entry in conduction of switch with null current, thus decreasing, the losses by switching. Initially, are presented theoretical studies of the topology in question and, through of graphs and equations, the harmonic distortion imposed by operation due constant duty cycle is verified. Functions that allow permanently the variation of duty cycle, during a network cycle, are presented. These functions have as main objective minimize the harmonic distortion in the input current, with focus in the 5th harmonic component. Simulation results demonstrate efficacy of techniques by variable duty cycle control and indicate a reducing of harmonic content of current. Experimental results demonstrate a reducing around 18% for operation with constant duty cycle. The use of variable duty cycle provides a reducing around 13%, resulting in an increase of the power factor. / Mestre

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luis Mariano Nodari.pdf: 2083674 bytes, checksum: f3c4bf3291e2d0a7c63bb7bea7118f85 (MD5) Previous issue date: 2011-05-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work proposes a digital control system for a half-bridge boost rectifier, which composes the input stage of a single-phase transformerless double-conversion UPS. The proposed control system has an inner current loop and two outer voltage loops to maintain near unity input power factor and to regulate the dc bus voltages. The control loops operate with distinct sampling frequencies, so that current loop operates with high sampling frequency, and voltage loops operate with reduced sampling frequency and moving average filters to improve the dynamic response, without affecting the input power factor. Simulation and experimental results are included to demonstrate the performance of the closed-loop system even under severe load conditions. / Esta Dissertação de Mestrado propõe um sistema de controle digital para um retificador meiaponte monofásico, que integra o estágio de entrada de uma UPS não isolada de dupla conversão monofásica. O sistema de controle proposto tem uma malha de corrente interna e duas malhas de tensão externas para manter o fator de potência unitário e regular a tensão no barramento. O controle opera com frequências distintas de amostragem, sendo que a malha de corrente opera com alta frequência de amostragem, enquanto as malhas de tensão operam com baixas frequências e com filtros de média móvel para melhorar a resposta dinâmica das tensões de saída do retificador, sem afetar o fator de potência de entrada. Resultados de simulação e experimentais demonstram o bom desempenho do sistema de controle digital proposto mesmo em condições severas de carga.

Submitted by DOUGLAS CARVALHO MORAIS (morais.sccp.carvalho@gmail.com) on 2018-04-26T20:36:20Z No. of bitstreams: 1 RETIFICADOR TRIFÁSICO BOOST SEM PONTE DE DIODOS, COM ELEVADO FATOR DE POTÊNCIA E CONTROLE POR RAZÃO CÍCLICA VARIÁVEL.pdf: 3578931 bytes, checksum: 59462e5e8af8153b4c38efb1636c59de (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-27T12:43:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 morais_dc_me_ilha.pdf: 3578931 bytes, checksum: 59462e5e8af8153b4c38efb1636c59de (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T12:43:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 morais_dc_me_ilha.pdf: 3578931 bytes, checksum: 59462e5e8af8153b4c38efb1636c59de (MD5) Previous issue date: 2018-03-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho tem como objetivo a proposição de um retificador trifásico boost semi-controlado, com correção ativa do fator de potência, que faça uso de técnicas de controle de razão cíclica variável, visando reduzir o conteúdo harmônico de corrente em baixa frequência. O conversor proposto opera em modo de condução descontínua, desta forma, a corrente de entrada segue uma envoltória senoidal. Além disso, devido ao modo de condução, o conversor apresenta a entrada em condução da chave com corrente nula, diminuindo assim, as perdas por chaveamento. Inicialmente, são apresentados, estudos teóricos da topologia em questão e, por meio de gráficos e equações, verifica-se a distorção harmônica imposta devida à operação com razão cíclica constante. Funções que permitam a variação permanente da razão cíclica, durante um ciclo da rede, serão apresentadas. Tais funções possuem o intuito de minimizar a distorção harmônica da corrente de entrada, com foco principal na 5ª componente harmônica. Resultados de simulação demonstram eficácia das técnicas de controle por razão cíclica variável e apontam redução no conteúdo harmônico de corrente. Resultados experimentais demonstram conteúdo harmônico de corrente em torno de 18% para operação do conversor com razão cíclica constante. A utilização de razão cíclica variável proporciona uma redução no conteúdo harmônico de corrente para 13%, resultando em um aumento do fator de potência. / This work aims propose a three-phase rectifier boost half-controlled, with power factor correction, that makes use variable duty cycle control techniques, in order to reduce the harmonic content of current in low frequency. The proposed converter operates in a discontinuous current conduction mode, this way, the input current is naturally corrected. Moreover, due to the conduction mode, the converter presents entry in conduction of switch with null current, thus decreasing, the losses by switching. Initially, are presented theoretical studies of the topology in question and, through of graphs and equations, the harmonic distortion imposed by operation due constant duty cycle is verified. Functions that allow permanently the variation of duty cycle, during a network cycle, are presented. These functions have as main objective minimize the harmonic distortion in the input current, with focus in the 5th harmonic component. Simulation results demonstrate efficacy of techniques by variable duty cycle control and indicate a reducing of harmonic content of current. Experimental results demonstrate a reducing around 18% for operation with constant duty cycle. The use of variable duty cycle provides a reducing around 13%, resulting in an increase of the power factor.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to develop a family of electronic converters with electrical isolation to supply a group of power light emitting diodes, applied to street lighting systems. The converters have high power factor and still meets the IEC61000-3-2, for lighting equipment. The integration between the power stages is realized to decrease the number of active semiconductors in the topologies. The topologies are modeled, considering the electrical model of light emitting diodes, and controllers are proposed to turns possible the reduction of the capacitances values in the analyzed topologies. This reduction aims to turns possible the replacement of the electrolytic capacitors for film capacitors, with higher lifetime. The implemented topology is a converter with 70 W of power, supplying 32 power LEDs with 700 mA. The experimental results prove the design methodology, presenting the desired characteristics, like high power factor (0.962), agreement with the standard IEC 61000-3-2 and high efficiency (88%). / Este trabalho visa o desenvolvimento de uma família de conversores eletrônicos com isolação elétrica para o acionamento de um conjunto de diodos emissores de luz de potência, aplicados à iluminação pública. Estes sistemas devem possuir elevado fator de potência e ainda estar de acordo com a norma IEC 61000-3-2, para equipamentos de iluminação. É realizada a integração entre os estágios de potência, de tal forma a reduzir o número de semicondutores ativos das topologias. As topologias são modeladas, considerando o modelo elétrico dos diodos emissores de luz, e é proposto o uso de controladores, visando possibilitar a redução dos valores de capacitâncias das topologias analisadas. Esta redução possibilita a substituição de capacitores eletrolíticos por capacitores de filme, com maior vida útil. Um protótipo para 70 W foi implementado, alimentando 32 LEDs de potência com 700 mA, foram utilizados os conversores Boost-Flyback, Buck-Flyback e Buck-Boost Flyback, além disso o conversor Flyback foi implementado visando a comparação entre conversores integrados e de estágio único. Os resultados experimentais comprovam a metodologia de projeto, apresentando as características desejadas, como elevado fator de potência (0,962), concordância com a norma IEC 6100-3-2 e rendimento de 88%.

This master thesis presents the development of a 100 W LED driver, suitable for outdoor and street lighting. In order to match the driver and LED features, special functionalities are added to the electronic system. To obtain a long lifetime, electrolytic capacitor are exchanged by film capacitor, with longer useful lifetime. However, this practice outcome in higher bus voltage ripple, which have to be compensated in the LED current control stage, named as power control stage. To achieve special functionalities, the proposed driver is designed to operate with universal input voltage and dimming capability, being the entire driver control implement in a digital way, increasing significantly the LED driver flexibility. After the literature review, which aimed to evaluate the characteristics of the LED driver topology structure, the two independent stage topology is selected. The buckboost converter operating in discontinuous conduction mode is employed on the power factor correction stage. The power control stage is composed by the DC/DC LLC resonant converter. Once the LED driver topology is defined, each converter is designed, following by the small signal modeling and the control system design. Experimental results of the driver operating with a reduced bus voltage capacitance (25 μF), are presented for a universal input voltage (85 – 265 VRMS) and different dimming levels (100% − 30%). A high power factor (> 0,94) and a medium to high efficiency (> 82%) is noticed in whole operation points, as well as, a reduced flicker (< 10%), being in accordance with the recent released IEEE Std 1789-2015 and IEC61000-3-2 Class C. / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um driver para o acionamento de um módulo de LEDs de 100 W, destinado a iluminação de exteriores ou iluminação pública. De forma a compatibilizar as características do LED com o driver, diferentes funcionalidades e condições de operação são adicionadas ao sistema eletrônico desenvolvido. Para alcançar longa vida útil, o driver desenvolvido substituiu os capacitores eletrolíticos por capacitores de filme. No entanto, essa prática resulta em maiores ondulações da tensão de barramento, as quais são compensadas pelo estágio de controle da corrente dos LEDs. De modo a aumentar as funcionalidades do driver, o mesmo opera com tensão de entrada universal e controle da intensidade luminosa, sendo o sistema de controle do driver implementado de forma digital, aumentando consideravelmente sua flexibilidade. Após revisão da literatura, a qual objetivou avaliar as características das estruturas e topologias empregadas em drivers para LEDs, seleciona-se a estrutura de dois estágios independentes. O conversor buck-boost operando no modo de condução descontínuo de corrente é empregado no estágio de correção do fator de potência. Para o estágio de controle da corrente dos LEDs, utiliza-se o conversor CC/CC meia ponte ressonante LLC. Definida a estrutura topológica, bem como os conversores utilizados, o projeto dos elementos é desenvolvido, seguido da modelagem dinâmica e do projeto do sistema de controle de cada estágio. Resultados experimentais do driver com reduzida capacitância de barramento (25 μF) mostram a sua operação com tensão de entrada universal (85 – 265 VRMS) e controle de intensidade luminosa (100% − 30%). Verificou-se um alto fator de potência (> 0,94) em toda a faixa de operação, rendimento média-alto (> 82%), bem como reduzida modulação de intensidade luminosa (< 10%), estando em conformidade com a IEEE Std 1789-2015 e a IEC61000-3-2 Classe C.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T12:01:24Z No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-22T18:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T18:36:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) Previous issue date: 2017-11-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este documento apresenta uma nova técnica para a minimização da ondulação de baixa frequência, típica de conversores para o acionamento de LEDs alimentados a partir da rede elétrica. Esta estratégia baseia-se na modulação em baixa frequência da razão cíclica do conversor de modo que a ondulação de corrente possa ser reduzida e, consequentemente, as capacitâncias de filtragem do conversor possam ser minimizadas. Esta técnica foi desenvolvida para a aplicação em conversores de malha única, como é o caso de conversores de estágio único ou mesmo dois estágios integrados. A modulação da razão cíclica é projetada de maneira que o comportamento de baixa frequência das principais variáveis do conversor seja alterado, permitindo uma redução da ondulação da corrente de saída ao custo de um incremento cotrolado no conteúdo harmônico da corrente de entrada. Duas possíveis metodologias para a implementação da técnica proposta são discutidas ao longo do trabalho. A primeira envolve a injeção de harmônicas específicas no sinal da razão cíclica do conversor através de ramos adicionais na estrutura de controle. Esta abordagem foi aplicada para projetar um controlador de LEDs baseado em um conversor flyback e também em uma topologia integrada baseada na conexão cascata de dois conversores Buck-boost. Este estudo inicial foi expandido para outros conversores e uma análise generalizada acerca da influência da modulação da razão cíclica no comportamento de controladores de LED alimentados a partir da rede elétrica é apresentada. A segunda metodologia para a implementação da compensação ativa da ondulação de baixa frequência do conversor é baseada na otimização de um controlador proporcional-integral a fim de que tal elemento influencie não só no comportamento dinâmico do circuito, mas também na característica de baixa frequência do conversor. Por fim são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas / This document presents a novel approach for low-frequency output current ripple minimization in off-line light-emitting diode (LED) drivers. This strategy is based on the large-signal modulation of the duty-cycle so that the output ripple can be reduced and, consequently, the required filtering capacitances of the converter can be somehow decreased. This technique is devised to be used on converters in which a single control loop is employed, such as off-line single-stage or integrated converters. The duty-cycle modulation is used to change the shape of the main waveforms of the converter, especially the input and output currents. This allows for a reduction of the output current peak-to-peak ripple while the harmonic content of the input current is increased but kept within the limits imposed by the IEC standard. Two methodologies for implementing the proposed technique are discussed along the text. The first one is related to the injection of harmonic components to the duty cycle signal by means of additional branches inserted in the conventional control structure. This approach was applied to design an off-line flyback-based LED driver and also a circuit based on the Integrated Double Buck-boost converter. This first study was expanded to other topologies and a generalized analysis regarding the impact of the duty cycle modulation on off-line converters is then presented. The second methodology for implementing the ripple compensation is based on the optimization of a proportional-integral controller so that this element is designed to influence not only in the dynamic behavior of the circuit, but also in its low-frequency characteristic. Finally, the main contributions of this work are discussed and the proposals for future works are presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The study of the best utilization of high intensity discharge lamps deals with the great global concern with energy efficiency. Electronic ballasts are the current devices that can make the good use of high luminous efficacy and the long useful life of these lamps. This work aims to develop an electronic ballast to supply high intensity discharge lamps. In order to avoid the acoustic resonance phenomenon occurrence, the lamp is supplied with low frequency square waveform. Power control and voltage inversion stage in the lamp are developed by the biflyback inverter topology. The analysis and design of this topology were performed, as well as the development of resonant inversion methodology of the lamp voltage. It is proposed one study, qualitative and quantitative, of active converters to provide the power factor correction, and their integration with the biflyback inverter topology. Buck biflyback inverter topology is chosen to the implementation of practical experiments, in order to validate the present work. The converter modeling, considering the lamp dynamic, such as the stability analysis and theoretical control strategy of current and lamp power are presented. Experimental results show that the proposed electronic ballast has the follow characteristics: high power factor (0.97), low input current harmonic distortion, high efficiency (88%) and not visible occurrence of acoustic resonance phenomenon. / O estudo do melhor aproveitamento das características das lâmpadas de descarga em alta pressão vem ao encontro da grande preocupação mundial com a eficientização energética. Reatores eletrônicos são os dispositivos atuais que melhor aproveitam a alta eficácia luminosa e longa vida útil dessas lâmpadas. Este trabalho visa o desenvolvimento de um reator eletrônico para a alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão. De modo a não excitar a ocorrência do fenômeno de ressonância acústica, a alimentação da lâmpada é realizada através de forma de onda de corrente quadrada em baixa frequência. Os estágios de controle de potência e inversão da tensão na lâmpada são realizados pela topologia biflyback inversora. A análise e projeto desta topologia foram realizados, assim como o desenvolvimento de uma metodologia de inversão ressonante da tensão da lâmpada. É proposto um estudo, qualitativo e quantitativo, dos conversores ativos para correção do fator de potência, e a integração destes, com a topologia biflyback inversora. A topologia buck biflyback inversora foi escolhida para a realização de experimentos práticos para a validação do trabalho. A modelagem do conversor, considerando a dinâmica de uma lâmpada de descarga em alta pressão de sódio foi realizada. Assim como a análise da estabilidade e estratégias de controle da corrente e da potência na lâmpada. Os resultados experimentais comprovam que o reator eletrônico proposto apresenta as características desejadas de: alto fator de potência (0,97), atendimento da norma IEC61000-3-2 para o nível das harmônicas da corrente de entrada, elevado rendimento (88%) e não excitação visível do fenômeno de ressonância acústica.