Este trabalho apresenta o estudo, projeto e análise de um conversor monofásico-trifásico com compensação ativa de potência série-paralela, o qual é denominado de UPQC-Mono-Tri e indicado para aplicações em sistemas de eletrificação rurais monofásicos. O UPQC-Mono-Tri é composto por dois inversores PWM, um monofásico operando como filtro ativo de potência série (FAPS) e outro trifásico, no qual um dos braços inversores é conectado à carga e opera como filtro ativo de potência paralelo (FAPP). É adotada a estratégia de compensação dual para a topologia do UPQC proposta, na qual as malhas de controle de tensão e corrente operam com referências de controle senoidais. Desta forma, o FAPS opera como fonte de corrente senoidal, sincronizada com a tensão da rede elétrica monofásica, enquanto o FAPP opera como fonte de tensão senoidal equilibrada e regulada. São realizadas simulações computacionais com o objetivo de avaliar o desempenho da topologia proposta, bem como um protótipo experimental é construído a fim de confirmar o desenvolvimento teórico e validar a proposta deste trabalho. / This work presents a study, design and analysis of a single-phase to three-phase converter with series-parallel active power line compensation, which in this work is called UPQC-Mono-Tri. The proposed topology is indicated for application in rural areas, where only single-phase electric power distribution system is available. The UPQC is composed of two PWM converters, where the first operates as series active power filter (SAPF), while the second is composed of a three-phase inverter, which is implemented by means of three half-bridge inverters. One of the half-bridge inverters is connected to the load and also operates as parallel active power filter (PAPF). The dual compensation strategy is adopted for the proposed UPQC topology, in which both series and parallel controllers handle only sinusoidal references. The SAPF operates as sinusoidal current source synchronized with the utility grid voltage, while the PAPF operates as sinusoidal voltage source providing sinusoidal, balanced and regulated voltages to single or three-phase loads. Simulations are performed in order to evaluate the proposed topology performance, as well as an experimental prototype is built to confirm the theoretical development, and validate the proposed work.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é apresentado a análise de um conversor CA-CC Bridgeless monofásico de estágio único com correção de Fator de Potência, baseado no conversor SEPIC isolado com os interruptores do lado CA. Para que o conversor exerça a técnica de correção de fator de potência, pelo fato de estar operando no modo de condução contínuo (MCC), é necessário controlar a corrente de entrada. Sendo assim, o sistema de controle, comparado caso o conversor operasse no modo de condução descontínuo (MCD), fica mais complexo, resultando em uma desvantagem para operação em MCC. Porém, quando se trata de rendimento, como os níveis de pico de corrente são menores operando em MCC, se espera obter um rendimento mais elevado. Além disso, com os interruptores do lado CA o conversor apresenta um número menor de semicondutores no caminho da corrente durante um período de comutação, comparado com a topologia convencional, sendo mais um ponto positivo se tratando do rendimento do conversor. São apresentadas as etapas de operação do conversor, as formas de onda ideais, tanto em alta frequência quanto em baixa frequência, a análise matemática contendo as principais equações que regem o funcionamento do conversor e a simulação numérica comprovando a análise desenvolvida. O conversor foi projetado para uma tensão de entrada de 127V com tensão de saída igual a 200V, operando com uma frequência de comutação igual a 50kHz e uma potência entregue a carga igual a 300W. / In this paper is presented the analysis of a single-phase bridgeless AC-DC converter with a single-stage of power factor correction, based on an isolated SEPIC converter with AC-side switches. Wherefore the converter carry out the power factor correction technic, by the act of operating in the continuous conduction mode (CCM), it’s essential to control the input current. Therefore, the control system, compared to the converter operating in the discontinuous conduction mode (DCM), become more complex, resulting on a disadvantage for the CCM. Nevertheless, when it’s come to efficiency, how the levels of peak current are smaller operating in CCM, it is expected to obtain a higher efficiency. Besides that, with the AC-side switches the converter presents a smaller number of semiconductors on the current path during a switching period, compared with the conventional topology, become one more positive advantage for the converter efficiency. Are presented the operation stages of the converter, waveforms, for high frequency as well as mains frequency, the numeric analysis possessing the leading equations for the converter operations and the numeric simulation proving the developed analysis. The converter was designed for a 127V input voltage, with a 200V output voltage, operating with a switching frequency of 50kHz, and a 300W rated output power.

O aquecimento indutivo e uma técnica utilizada na indústria para obter resultados de fundição, brasagem, forjaria e também tratamento térmico, aplicação foco deste trabalho. O aquecimento indutivo dá-se através de campos eletromagnéticos induzidos a uma peca metálica, a qual se deseja aquecer. Isso faz com que haja um aumento de temperatura sobre a peca devido ao efeito joule, corrente de foucault e histerese, entre outros efeitos. Para gerar os efeitos acima relatados, são necessários conversores de alta potência e frequência. Tais conversores são compostos em muitos casos de: um retificador, um capacitor filtro de barramento, um inversor e um circuito ressonante. Neste trabalho e proposto a topologia de um circuito ressonante LLC sendo chaveado por um inversor ponte completa. Como todo circuito ressonante, em operação a frequências próximas da ressonância, as correntes são elevadas e consegue-se operar com chaveamento em comutação suave. Entre algumas vantagens da topologia LLC frente a topologias como a série-ressonante, por exemplo, podem-se citar: proteção contra curto-circuito e fácil casamento de impedância entre o circuito ressonante e o inversor. No entanto, conversores com retificadores comuns possuem baixo fator de potência, FP=0,5. Para resolver este problema, propõe-se a utilização de um retificador de alto fator de potência integrado ao conversor através do inversor, formando um sistema de aquecimento indutivo integrado a um retificador com alto fator de potência. Através de um dos braços de comutação do inversor, dá-se o controle do retificador e do conversor ao mesmo tempo. A técnica apresentada resulta em um projeto de custo reduzido e baixo nível de complexidade de implantação. Para controlar a potência do sistema e utilizada uma modulação PWM assimétrica com razão cíclica variável que controla os dois conversores simultaneamente. / Induction heating is a technique used in industry to get results like casting, brazing, forging and heat treatment also, application focus of this work. Induction heating occurs through electromagnetic fields induced in a metal part, which it wants to warm up. This means that there is an increase in temperature on the piece it wants to heat up due to the Joule effect, eddy current and hysteresis, among other effects. To generate the effects reported above, high power converters and frequency are required. These converters are composed in many cases by: a rectifier, filter capacitor DC Link, an inverter and a resonant circuit. This paper proposes the topology of LLC resonant circuit being switched by a full bridge inverter. Like any resonant circuit operating at near of the resonance frequencies, the currents are high and it is possible to operate with soft switching. Among some advantages of the LLC topology against other topologies such as series resonant, for example, can be mention: protection against short-circuit and easy impedance matching between the resonant circuit and the inverter. However, converters with common rectifiers have low power factor. To solve this problem, the use of a rectifier high power factor built into the converter is proposed. This rectifier is integrated into the converter through the inverter, forming a single stage high power factor induction heating system. Through an arm of the inverter is given the control of the rectifier and the converter at the same time. The technique presented results in low cost and low complexity implementation. An asymmetric PWM modulation is used with variable duty cycle to control the power system, which controls both converters at the same time.

O aquecimento indutivo e uma técnica utilizada na indústria para obter resultados de fundição, brasagem, forjaria e também tratamento térmico, aplicação foco deste trabalho. O aquecimento indutivo dá-se através de campos eletromagnéticos induzidos a uma peca metálica, a qual se deseja aquecer. Isso faz com que haja um aumento de temperatura sobre a peca devido ao efeito joule, corrente de foucault e histerese, entre outros efeitos. Para gerar os efeitos acima relatados, são necessários conversores de alta potência e frequência. Tais conversores são compostos em muitos casos de: um retificador, um capacitor filtro de barramento, um inversor e um circuito ressonante. Neste trabalho e proposto a topologia de um circuito ressonante LLC sendo chaveado por um inversor ponte completa. Como todo circuito ressonante, em operação a frequências próximas da ressonância, as correntes são elevadas e consegue-se operar com chaveamento em comutação suave. Entre algumas vantagens da topologia LLC frente a topologias como a série-ressonante, por exemplo, podem-se citar: proteção contra curto-circuito e fácil casamento de impedância entre o circuito ressonante e o inversor. No entanto, conversores com retificadores comuns possuem baixo fator de potência, FP=0,5. Para resolver este problema, propõe-se a utilização de um retificador de alto fator de potência integrado ao conversor através do inversor, formando um sistema de aquecimento indutivo integrado a um retificador com alto fator de potência. Através de um dos braços de comutação do inversor, dá-se o controle do retificador e do conversor ao mesmo tempo. A técnica apresentada resulta em um projeto de custo reduzido e baixo nível de complexidade de implantação. Para controlar a potência do sistema e utilizada uma modulação PWM assimétrica com razão cíclica variável que controla os dois conversores simultaneamente. / Induction heating is a technique used in industry to get results like casting, brazing, forging and heat treatment also, application focus of this work. Induction heating occurs through electromagnetic fields induced in a metal part, which it wants to warm up. This means that there is an increase in temperature on the piece it wants to heat up due to the Joule effect, eddy current and hysteresis, among other effects. To generate the effects reported above, high power converters and frequency are required. These converters are composed in many cases by: a rectifier, filter capacitor DC Link, an inverter and a resonant circuit. This paper proposes the topology of LLC resonant circuit being switched by a full bridge inverter. Like any resonant circuit operating at near of the resonance frequencies, the currents are high and it is possible to operate with soft switching. Among some advantages of the LLC topology against other topologies such as series resonant, for example, can be mention: protection against short-circuit and easy impedance matching between the resonant circuit and the inverter. However, converters with common rectifiers have low power factor. To solve this problem, the use of a rectifier high power factor built into the converter is proposed. This rectifier is integrated into the converter through the inverter, forming a single stage high power factor induction heating system. Through an arm of the inverter is given the control of the rectifier and the converter at the same time. The technique presented results in low cost and low complexity implementation. An asymmetric PWM modulation is used with variable duty cycle to control the power system, which controls both converters at the same time.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis proposes two new topologies for Uninterrupted Power Supply (UPS), and a grid-tie microinverter. The first topic will discuss an on-line transformerless UPS system based on the integrated power electronics converters that is able to control the input power factor, charge the battery, and guarantee backup operation of the system. The main advantages of the proposed UPS are active power factor correction (PFC) without the need of a complex control scheme, and integrated functions of the battery charger circuit and PFC with only three power switches. Operation modes of the system and the PWM strategy is presented in detail. The second topic discussed is of a proposed circuitry for a single-phase back-to-back converter for UPS applications. The main advantages of this topology is higher number of levels at the rectifier side, less number of power switches, and no need for a boost inductor at the input side of the converter. The last topic discussed is of a proposed patent pending microinverter. This topic was a project funded by the National Science Foundation, and its aim was to help commercialize the research. This project proposes a solution for a solar inverter called Delta Microinverter that allows easier and faster installation as well as power conversion with higher efficiency. Delta Microinverters innovation is found in its patent-pending shape and in its patent-pending circuitry, i.e., electronics mounted inside of the Delta Microinverter. The Delta Microinverters shape has a housing configured for rapid mounting using a single fastener and its power electronics configuration offers an optimized relationship between the number of levels and number of power switches.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

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CNPq / Este trabalho apresenta um retificador trifásico isolado com correção do fator de potência utilizando um autotransformador Scott e utilizando dois retificadores monofásicos isolados com correção do fator de potência de estágio único (S2). O autotransformador Scott faz uma redução de fases permitindo que se utilizem dois retificadores de estágio único. Os conversores monofásicos utilizados são do tipo Full-Bridge Flyback. O conversor proposto pode operar como elevador ou abaixador de tensão dependendo da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor. O controle do conversor foi feito via MCU modelo TMS320F28335. Este trabalho apresenta a análise teórica do conversor operando em modo de condução contínua (CCM), bem como os resultados experimentais baseado em um protótipode 4kw. / This work presents a three-phase isolated rectifier with power factor correction using a Scott autotransformer and two isolated single-phase single-stage (S2) rectifiers. The Scott autotransformer provides a phase reduction allowing the use of two single-phase rectifiers. The single-phase converters used are the Full-Bridge Flyback type. The proposed converter can operate as a step-down or a step-up voltage, according to the relation between input andoutput voltage. The control of the converter was made in a MCU model TMS320F28335. This paper presents the theoretical analysis of the converter for continuous conduction mode (CCM) as well as experimental results based on a 4 kW prototype.

Neste trabalho é apresentado um estudo de controladores aplicados a retificadores boost pré reguladores de alto fator de potência. A estratégia convencional, mais utilizada, é o controle por valores médios instantâneos que apresenta uma malha de corrente rápida e uma malha de tensão lenta. A frequência de corte desta última malha é baixa devido a ondulação de tensão de saída no dobro da frequência da rede que deve existir para apresentar uma corrente de entrada com baixa distorção harmônica. Esses controles apresentam um sobressinal elevado e transição lenta durante transitórios de carga, levando a elevação da tensão dos capacitores de saída. A técnica apresentada é um controlador digital com feedforward de potência de saída associado a uma malha de realimentação direta, também conhecido como autocontrole. Essa estratégia possibilita melhores resultados nos transitórios de carga possibilitando redução do capacitor de saída com reduzido sobressinal no transitório de carga. / In this work a study applied in controlled boost rectifiers with high power factor is presented. A most widely used conventional control strategy is the instant average current control, this kind of control have a fast current loop and a slow voltage loop.The cutoff frequency of the voltage loop is low because the output voltage ripple must be twice the frequency of the input network, that need to exist to provide an input current with low harmonic distortion. These controllers feature a high overshoot and a slow transition during the transient load what leads a high voltage in the output capacitors. The developed technique is a digital controller that operate with a feedforward output power associated with one cycle control. This strategy provides better results in the load transient, reducing the overshoot and alloying a reduction of the output capacitor.