CAPES / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de metodologias para dimensionamento de filtros passivos para conversores estáticos de potência conectados à rede ou em operação como fonte ininterrupta de energia, do Inglês, Uninterruptible Power Supply (UPS). São apresentadas novas metodologias para o dimensionamento de filtro indutivo (L) e filtro indutivo-capacitivo-indutivo (LCL) para conexão de conversores à rede de distribuição e uma metodologia para o dimensionamento de filtro indutivo-capacitivo (LC) para conversores estáticos operando como UPS. Para o filtro L, são apresentadas metodologias baseadas no valor do pico da ondulação de corrente no indutor ou em funções de transferência dos circuitos equivalentes e objetivam garantir que a distorção harmônica total de corrente (DHTi) no ponto de conexão comum não ultrapasse os valores estabelecidos por normas específicas. Para a metodologia proposta para o filtro LCL, além da DHTi, a frequência de ressonância ( fres), o coeficiente de amortecimento (x ) e fator de potência no ponto de conexão comum (FP) são parâmetros de projeto a serem atendidos pelo filtro projetado. A metodologia de dimensionamento de filtro é baseada em funções de transferência de circuitos equivalentes. Para o filtro LC, a metodologia também é baseada na função de transferência de um circuito equivalente e utiliza como parâmetros de projeto que devem ser atendido, a distorção harmônica total de tensão (DHTv) sobre a carga e o coeficiente de amortecimento. Para a verificação das metodologias propostas são utilizadas simulações computacionais por meio do software PSIM e, posteriormente, são apresentados resultados de ensaios experimentais utilizando-se de uma plataforma experimental desenvolvida para este fim para corroborar as propostas de projeto dos filtros L, LC e LCL. / This work presents the development of design methodologies for passive filters for static power converters connected to the network or operating in islanded mode. Methodologies for the design of inductive (L) filter and inductive-capacitive-inductive (LCL) filter for network connection and inductive-capacitive filter (LC) for converters operating as uninterruptible power supply (UPS) will be presented. For the L filter, methodologies based on the peak value of the current ripple in the inductor or on transfer functions of equivalent circuits are presented and aim to ensure that the total harmonic distortion of current (THDi) in the point of common connection does not exceed the values defined by specific rules. For the proposed methodology for the LCL filter, in addition to THDi, the resonance frequency, the damping coefficient of filter and the power factor in the point of common connection are design parameters to be met by the filter designed. The filter design methodology is based on equivalent circuit. The total harmonic distortion of voltage (THDv) and the damping coefficient are considered as design parameters. To corroborate the proposal, PSIM simulations are used and experimental results are also presented.

CAPES / Este trabalho traz um estudo da aplicação do conversor Full-Bridge bidirecional como um carregador de banco de baterias em um barramento CC de fontes de energia renováveis. O problema principal destas fontes é que são sazonais e não oferecem uma continuidade de fornecimento de potência. Assim, o uso de banco de baterias, conectado a um barramento CC compartilhado com outras fontes renováveis traz contribuições na continuidade do fornecimento de energia. O conversor proposto neste trabalho visa conectar o banco de baterias ao barramento CC e ao mesmo tempo que faz a integração dos modos de carga e descarga em um único conversor. Adicionalmente, para reduzir volume, é utilizado um transformador planar que oferece alta eficiência (máximo de 99,5%) e uma reduzida relação volume/potência. O conversor foi desenvolvido para carregar um banco de baterias de 192V. No modo de descarga, ele é suado para alimentar um barramento CC de 400V com uma potência máxima de 1,34kW. Apesar do uso do conversor full-bridge não ser novidade nestes tipos de aplicação, dois fatores serviram de motivação para este trabalho: o uso do transformador planar e a tendência mundial de integração de fontes renováveis. / This work presents a study of the application of the Full-bridge bidirectional DC converter as a battery bank charger in a DC bus of renewable energy sources. The main problem is that these sources are seasonal and do not offer a continuously power supply. Thus, the use of a battery bank connected to a DC bus shared with other renewable sources brings contributions in the continuity of power supply. The converter proposed in this work aims to connect the battery bank to the DC bus at the same time it integrates the charging and discharging modes into a single converter. Additionally, to reduce the volume, it is used a planar transformer that provides high efficiency (up to 99.5%) and a reduced volume/power ratio. The converter is designed to charge a bank of batteries of 192V. At the discharge mode, it is designed to feed a 400V DC bus with maximum power of 1.34 kW. Despite the use of the full-bridge converter is not new in these types of application, two factors served as motivation for this work: the use of planar transformer and the global trend of integration of renewable sources.

Capes / Este trabalho apresenta as análises qualitativa e quantitativa que descrevem o princípio de operação de duas topologias de conversores CC-CC integrados boost-flyback com interleaving generalizado em malha aberta. A primeira topologia corresponde à solução convencional, sendo que uma análise matemática generalizada para qualquer quantidade de células de interleaving é desenvolvida. A segunda topologia é proposta com o intuito de garantir comutação suave em todos os interruptores do circuito. Possibilitando assim, a redução das perdas por comutação do conversor e tornando viável a sua operação com maiores valores de frequência de comutação. Novamente, uma análise matemática generalizada é desenvolvida fornecendo uma descrição genérica da operação do conversor com uma quantidade qualquer de células de interleaving. Os principais resultados das análises são inicialmente validados com simulações computacionais. Para a verificação experimental, foi construído um protótipo de 500 W, 48 V de tensão de entrada, 400 V de tensão de saída operando com frequência de comutação de 100 kHz. Potenciais aplicações da proposta são sistemas de conversão de energia que requerem elevado ganho de tensão com elevado rendimento, tais como sistemas fotovoltaicos, célula a combustível e pequenos aerogeradores. / This work presents the qualitative and quantitative analyses describing the open loop operation principle of two integrated boost-flyback dc-dc converters with generalized interleaving. The first topology corresponds to the conventional solution, and a generalized mathematical analysis valid for any number of channels is carried out. A second topology is proposed to guarantee soft switching for all the circuit’s switches. Thus allowing the reduction of the switching losses and making viable its operation with higher values of switching frequency. Again, a generalized mathematical analysis is performed, thus providing a generic description of the converter’s operation for any number of interleaving channels. The main analyses results are initially validated by means of computer-aided simulations. For experimental validation purpose, a 500 W, 48 V input voltage, 400 V output voltage operating at switching frequency of 100 kHz was built. Potential application of the proposal are energy conversion systems requiring high voltage gain and high efficiency, such as photovoltaic, fuel-cell and small-scale wind energy systems.

CAPES / Este trabalho apresenta um sistema eletrônico com entrada universal utilizando um retificador SEPIC não isolado para fornecer e controlar a corrente de LEDs de potência. Um Snubber regenerativo que reduz as perdas de comutação e melhora a eficiência do sistema é proposto. Para realizar a dimerização, bem como reduzir a ondulação da corrente nos LEDs, um regulador linear de corrente é conectado na saída do conversor SEPIC. A utilização do regulador linear também permite que o conversor opere com entrada universal sem a utilização de circuitos adicionais. Para evitar perdas excessivas, o regulador é configurado para operar na região limiar da regulação. O ponto de perda mínimo do regulador é ajustado através de um circuito detector de mínimo com o sistema operando em malha fechada. As etapas de operação, as formas de onda e as principais equações do snubber regenerativo aplicado ao SEPIC são descritas no trabalho. Para verificar e validar a análise teórica são apresentados dois protótipos com potências de saída de 42 W e 145 W, variando de 15% a 100%, para o conversor operando com tensão de entrada de 90 a 240 V e alimentado 35 LEDs conectados em série. / This paper presents a universal-input AC electronic lighting system using a non-isolated SEPIC PFC rectifier to drive and control power LEDs currents. One energy regenerative snubber for reducing the converter switching losses and improve the system efficiency is proposed. The dimmable flicker-free current in the LEDs array is obtained through a linear current regulator placed in the SEPIC’s output terminals. In order to reduce the efficiency impairment, the conditions for achieving minimum energy loss in the current regulator are also detailed. Point of minimum energy loss in the linear regulator is adjusted through valley detector circuit in closed loop system operation. The operation stages as well as the theoretical waveforms and main equations at steady state of the proposed SEPIC rectifier using the regenerative snubber are described. To verify the theoretical analysis carried out, experimental results of two prototypes (42 W and 145 W) operating from 90 to 240 V and output power from 15 to 100% for 35 LEDs are also presented.

Este trabalho apresenta a análise de uma fonte de alimentação monofásica, de estágio único, baseada no conversor SEPIC isolado com interruptores no lado CA. O conversor SEPIC com interruptores no lado CA traz algumas vantagens em relação à topologia convencional, por haver um número menor de semicondutores no caminho da corrente em um período de comutação. Logo, espera-se um acréscimo no rendimento geral. A corrente de entrada é aproximadamente senoidal sem o uso de uma malha de controle de corrente, pelo fato de este conversor operar no Modo de condução descontínuo. Como desvantagens, destaca-se uma restrição na escolha da relação de transformação, a qual implica em valores máximos de corrente no secundário elevados quando o conversor opera como abaixador de tensão. A análise teórica, a metodologia de projeto e os resultados experimentais são apresentados para um conversor de 300W. O conversor foi projetado para uma tensão de entrada de 127V, uma tensão de saída de 200V e a frequência de comutação de 50kHz. / This work presents the analysis of a single-phase single-stage switched-mode power supply based on a SEPIC converter with AC-side switches. The SEPIC converter with AC-side switches has the benefit of having fewer semiconductors in conduction during a switching period when compared with the traditional topology. Thus, the overall efficiency is expected to increase. The input current is nearly sinusoidal without the use of a current loop control since the converter is operating in discontinuous conduction mode. A system disadvantage is related to the constraint in the choice of transformer turns, which leads to high current values in the secondary-side for lower output voltage specifications. The theoretical analysis, a design methodology and experimental results from a 300 W converter are presented. The converter was designed for a 127 V of input voltage, 200 V output voltage and switching frequency 50 kHz.

CAPES / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um conversor elevador de tensão, com possibilidade de maior ganho que o conversor boost convencional, para aplicações em condições similares e de maior potência. Apresentam-se os principais conceitos envolvendo o conversor boost e duas de suas variações: o conversor boost de três níveis e o conversor boost intercalado com duas células conversoras. São detalhadas as formas construtivas, as etapas de funcionamento, o equacionamento e os principais pontos positivos de cada conversor, de modo a se verificar os possíveis empregos na construção de um protótipo que une as suas principais vantagens. Na apresentação deste conversor são abordadas as etapas de funcionamento, o equacionamento que rege o seu projeto, as simulações obtidas através de software (PSIM), um comparativo entre os modelos de conversor boost estudados e os resultados experimentais obtidos. / This paper presents the development of a boost converter with the possibility of higher gain than the conventional boost converter for applications under similar conditions and increased power. Presents the main concepts involving the boost converter and two variations: the boost converter of three levels and the boost converter interspersed with two converter cells. The breakdown mounting positions, the operating steps, the addressing and the main strengths of each converter in order to check for possible uses in the construction of a prototype joining their main advantages. In the presentation of this converter addresses the operating steps, the equation governing its design, the simulations obtained through software (PSIM), a comparison between the boost converter models studied and the experimental results.

Sistemas de geração distribuída conectados à rede devem atender as especificações técnicas de conexão no que tange à injeção de corrente harmônica na rede elétrica. No intuito de satisfazer tais requerimentos de rede, filtros passivos são utilizados para interfacear o inversor fotovoltaico e a rede. Essa dissertação compara a resposta característica do tradicional filtro indutivo (filtro L) com o filtro Indutivo-Capacitivo-Indutivo (filtro LCL). É mostrado que o aumento da indutância permite uma supressão suficiente do ripple de corrente proveniente da frequência de chaveamento do inversor. O filtro LCL no entanto, proporciona uma melhor atenuação harmônica, o que permite reduzir o tamanho do filtro. A grande desvantagem do filtro LCL é sua impedância, que é caracterizada por um pico de ressonância próximo da frequência de corte do filtro, a qual deve ser amortecida para evitar a instabilidade. Técnicas passivas e ativas podem ser utilizadas para amortecer a ressonância do filtro LCL. Para abordar estas questões, esta dissertação apresenta uma comparação do controle de corrente do inversor trifásico conectado à rede com filtro L e com filtro LCL, discutindo a utilização de amortecimento passivo e ativo para diferentes regiões de frequência de ressonância. A partir dos modelos matemáticos, desenvolveu-se uma metodologia de projeto dos controladores e o comportamento dinâmico do sistema operando em malha fechada foi investigado. Para validar os estudos desenvolvidos ao longo desse trabalho, resultados experimentais são apresentados utilizando uma plataforma experimental trifásica de 5kW. Os principais componentes e suas funções são discutidas no decorrer do trabalho. Resultados experimentais são obtidos para verificar as análises teóricas e ilustrar o desempenho do inversor trifásico fotovoltaico conectado à rede elétrica com filtro L e filtro LCL. É mostrado que a frequência de ressonância e a frequência de amostragem do sistema podem ser relacionadas de maneira a se calcular uma frequência crítica, abaixo da qual é essencial realizar o amortecimento do filtro LCL. Ainda, os resultados experimentais mostram que o amortecimento ativo por resistor virtual, embora apresente um desenvolvimento simples, é eficaz para amortecer a ressonância do filtro LCL e permitir que o sistema opere estável dentro dos parâmetros pré-determinados. / Distributed generation systems must fulfill standards specifications of current harmonics injected to the grid. In order to satisfy these grid requirements, passive filters are connected between inverter and grid. This work compares the characteristic response of the traditional inductive (L) filter with the inductive-capacitive-inductive (LCL) filter. It is shown that increasing the inductance L leads to a good ripple current suppression around the inverter switching frequency. The LCL filter provides better harmonic attenuation and reduces the filter size. The main drawback is the LCL filter impedance, which is characterized by a typical resonance peak, which must be damped to avoid instability. Passive or active techniques can be used to damp the LCL resonance. To address this issue, this dissertation presents a comparison of current control for PV grid-tied inverters with L filter and LCL filter and also discuss the use of active and passive damping for different regions of resonance frequency. From the mathematical models, a design methodology of the controllers was developed and the dynamic behavior of the system operating in closed loop was investigated. To validate the studies developed during this work, experimental results are presented using a three-phase 5kW experimental platform. The main components and their functions are discussed in this work. Experimental results are given to support the theoretical analysis and to illustrate the performance of grid-connected PV inverter system. It is shown that the resonant frequency of the system, and sampling frequency can be associated in order to calculate a critical frequency, below which is essential to perform the damping of the LCL filter. Also, the experimental results show that the active buffer per virtual resistor, although with a simple development, is effective to damp the resonance of the LCL filter and allow the system to operate stable within predetermined parameters.

O incentivo a geração distribuída é uma tendência mundial, no sentido de diversificar e reforçar a malha de geração de energia elétrica. A normativa número 482, de 2012, desburocratiza o acesso de micro e mini geradores distribuídos à rede elétrica monofásica, possibilitando que os consumidores residenciais passem a atuar também como elementos geradores de energia elétrica. Dentre as formas de energia primária renováveis disponíveis na natureza, a eólica e a solar são as mais promissoras para unidades de geração residenciais. Este trabalho apresenta uma abordagem unificada da conexão de uma unidade de microgeração à rede monofásica fraca através de conversor CA-CC-CA. É definida uma estrutura de conexão que permite a regulação da tensão do barramento CC e da corrente de saída. É proposta uma estrutura de controle no referencial síncrono (d-q), cuja referência é fixada na tensão no ponto comum de conexão. A sincronização das grandezas em d-q é obtida por meio de um estimador baseado no Filtro de Kalman com ganhos fixos. O modelo matemático da etapa de conexão com a rede monofásica no domínio do tempo é determinado, tanto no referencial estático quanto no referencial síncrono. A abordagem matemática no domínio complexo também é considerada. Baseando-se no princípio da superposição, a resposta em frequência das grandezas do sistema de geração proposto é determinada. A parametrização dos controladores é realizada considerando-se um sistema dinâmico de ordem reduzida, baseado no modelo no referencial síncrono. As equações de estado dos controladores são inseridas no modelo da planta, e uma noção da análise de estabilidade é apresentada. Resultados de simulação são apresentados, para as etapas de conexão com carga isolada e para a sincronização com a rede da concessionária. Uma plataforma multi-uso para validação experimental é desenvolvida, e os resultados experimentais são mostrados. Resultados experimentais da estrutura de controle proposta são apresentados, de forma a validá-lo. / Encouraging distributed generation is a worldwide trend to diversify and strengthen the network of power generation. The normative number 482, 2012, reduces bureaucracy in accessing micro and mini single phase distributed generators to the power grid, allowing residential consumers act as electric power generators elements. Among the forms of renewable primary energy available in nature, wind and solar are the most promising for generating residential units. This paper presents a unified approach to connecting a unit of micro generation to the single-phase weak grid via AC-DC-AC converter. A structure of connection allows the adjustment of the DC bus voltage and the output current is defined. It is proposed a control structure in the synchronous reference frame (dq), whose reference voltage is fixed at the common connection point. The dq magnitudes synchronization is obtained by means of an estimator based on Kalman filter with fixed gains. The mathematical model of the single phase connection step in the time domain is determined, both in static as in the synchronous reference frame. The mathematical approach in the complex domain is also considered. Based on the principle of superposition, the frequency responses of the variables of the proposed generation system are determined. The parameterization of the controllers is performed considering a dynamic system of reduced order model based in the synchronous reference frame. The state equations of the controllers are included in the plant model, and a sense of the stability analysis is presented. Simulation results are presented for connection with isolated load and synchronization with the utility single phase grid. A multi-purpose platform for experimental validation is performed, and the experimental results are shown. Experimental results of the proposed control structure is presented in order to validate it.

Esta dissertação propõe a análise de dois conversores de estágio único, isolados em alta frequência e adequados para aplicações de conexão à rede elétrica. Inicialmente, é introduzida uma nova estratégia de modulação para o conversor flyback bidirecional com conexão diferencial. Esta modulação melhorada proporciona melhor desempenho, reduzindo os valores de corrente RMS para cada componente do circuito, contribuindo assim para a redução das perdas por condução. As análises estáticas do conversor operando em ambas estratégias de modulação alternativa e original são apresentadas. A análise dinâmica também é realizada, fornecendo a função de transferência da corrente de saída pela razão cíclica do conversor ligado à uma carga resistiva e acoplado a uma fonte de tensão. Um protótipo com potência de saída de 500 W, 20 kHz, com tensão de entrada de 70 V e 127 VRMS na tensão de saída é apresentado e os resultados experimentais que comparam a nova estratégia de modulação confirmam a análise teórica e desempenho superior. Uma tensão de saída com baixa THD é alcançada para ambas estratégias de modulação, operando em malha aberta em no modo de condução contínua. O segundo conversor é um flyback com grampeamento ativo adequado para ser utilizado como um micro-inversor em aplicações de energias renováveis. As principais características da topologia são o relativo baixo número de componentes, o isolamento em alta frequência, possibilidade de ser utilizado como elevador de tensão de saída e operação em ZVS. O grampeamento ativo permite recuperar a maior parte da energia armazenada na indutância de dispersão dos indutores flyback e, assim, uma melhoria na eficiência do conversor é atingida. A análise estática é fornecida para o conversor operando em CCM. Além disso, uma função de transferência da corrente de saída pela razão cíclica é apresentada para uma carga resistiva na saída. Para este conversor duas frequências de comutação de 100 kHz e 50 kHz foram testadas num protótipo construído para 500 W, com tensão de entrada de 70 V e tensão de saída de 127 VRMS. / This thesis proposes the analysis of two single-stage high-frequency isolated converters suited for grid-tied applications. Firstly, a new modulation strategy to the bidirectional flyback converter with differential output connection is introduced. This improved modulation provides better performance by reducing the RMS current values for every circuit element, thereby contributing to reduced conduction losses. The static analyses of the converter operating in both the original and the alternative switching strategies are presented. Dynamic analysis is also performed, providing the output-current-to-duty-cycle transfer function of the converter connected to a resistive load and coupled to an output voltage source. A 500 W, 20 kHz, 70 V input voltage and 127 VRMS output voltage prototype is presented and experimental results comparing the new modulation strategy to the original confirm the theoretical analyses and superior performance of the alternative switching strategy. A low THD output voltage is achieved for both switching strategies, operating in open loop and in continuous conduction mode. The second converter is an active-clamping flyback converter suitable to be used as a microinverter in renewable energy applications. The main features of the topology are the relatively low component count, high-frequency isolation, voltage step-up capability and zero voltage switching. The active clamping allows to recover most of the energy stored in the flyback inductors’ leakage inductance and thus an improvement on the system efficiency is achieved. The static analysis for CCM operation is provided. In addition, an output-current-to-duty-cycle transfer function for a resistive load connected to the output of the converter is presented. Two switching frequencies of 100 kHz and 50 kHz were tested in a prototype built for 500 W, 70 V input voltage and 127 VRMS output voltage.

CAPES / Este trabalho traz um estudo da aplicação do conversor Full-Bridge bidirecional como um carregador de banco de baterias em um barramento CC de fontes de energia renováveis. O problema principal destas fontes é que são sazonais e não oferecem uma continuidade de fornecimento de potência. Assim, o uso de banco de baterias, conectado a um barramento CC compartilhado com outras fontes renováveis traz contribuições na continuidade do fornecimento de energia. O conversor proposto neste trabalho visa conectar o banco de baterias ao barramento CC e ao mesmo tempo que faz a integração dos modos de carga e descarga em um único conversor. Adicionalmente, para reduzir volume, é utilizado um transformador planar que oferece alta eficiência (máximo de 99,5%) e uma reduzida relação volume/potência. O conversor foi desenvolvido para carregar um banco de baterias de 192V. No modo de descarga, ele é suado para alimentar um barramento CC de 400V com uma potência máxima de 1,34kW. Apesar do uso do conversor full-bridge não ser novidade nestes tipos de aplicação, dois fatores serviram de motivação para este trabalho: o uso do transformador planar e a tendência mundial de integração de fontes renováveis. / This work presents a study of the application of the Full-bridge bidirectional DC converter as a battery bank charger in a DC bus of renewable energy sources. The main problem is that these sources are seasonal and do not offer a continuously power supply. Thus, the use of a battery bank connected to a DC bus shared with other renewable sources brings contributions in the continuity of power supply. The converter proposed in this work aims to connect the battery bank to the DC bus at the same time it integrates the charging and discharging modes into a single converter. Additionally, to reduce the volume, it is used a planar transformer that provides high efficiency (up to 99.5%) and a reduced volume/power ratio. The converter is designed to charge a bank of batteries of 192V. At the discharge mode, it is designed to feed a 400V DC bus with maximum power of 1.34 kW. Despite the use of the full-bridge converter is not new in these types of application, two factors served as motivation for this work: the use of planar transformer and the global trend of integration of renewable sources.