Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree Magister Technologiae Electrical Engineering in the Faculty of Engineering at the Cape Peninsula University of Technology Supervisor: Mr. J. Wheeler Co-supervisor: Dr. R.H. Wilkinson Cape Town October 2013 / This report presents the design and development of a five cell multicell inverter for driving a piezoelectric load. The multicell inverter was chosen for this application as it became evident that it would be more suitable for driving piezoelectric transducers due to its high apparent switching frequency. The multicell inverter was designed using DirectFET’s as this type of FET has a high current switching ability in a very small package. A positive and negative bootstrap power supply was incorporated in the design to reduce the number of supplies to power the gate drive circuits of the multicell inverter. Three compensation networks were designed and constructed to investigate which one would transfer the most energy to the piezoelectric transducer. It was also important to investigate whether these compensation networks were able to reduce the harmonic content produced by the multicell inverter. This is necessary in order to excite the transducer correctly. It was found that the Q-Matching compensation network reduced the harmonic content applied to the load the most. Experiments were also conducted to determine if the advantage of the apparent frequency of the multicell inverter would mean that the piezoelectric load could be driven directly with the multicell inverter without any damage to the transducer. It was however required to increase the applied apparent power to the transducer to compensate for the reactive component of the load in order to melt the plastic which was used as the load to the transducer. Experiments were conducted to determine if the charge on the cell capacitors of the multicell inverter would stay balanced while driving a non linear load such as a piezoelectric transducer. The results showed that the voltages stayed balanced when driving the piezoelectric transducer.

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.

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.

Orientador: José Antenor Pomilio / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T18:11:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guerreiro_JoelFilipe_M.pdf: 10178060 bytes, checksum: 342fb378bb2d1fd88084a0360e541d24 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Filtros Ativos de Potência Aeronáuticos (FAPA) são geralmente utilizados para melhoria da Qualidade da Energia em Sistemas Elétricos de Potência Aeronáuticos (SEPA). Os FAPA compensam os harmônicos de corrente, aumentam o fator de potência e minimizam os efeitos de cargas desbalanceadas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento, simulação e implementação de um FAPA pra um SEPA avançado de velocidade e frequência variável. O SEPA é muito diferente dos sistemas elétricos residenciais e industriais, nesses sistemas a frequência pode variar de 360 Hz a 800 Hz, além do mais a carga se reconfigura repetidamente. Deste modo, uma estratégia avançada de filtragem ativa é necessária para SEPAs, O FAPA proposto neste trabalho é composto por um inversor multinível do tipo cascata assimétrica, o algoritmo de controle é implementado utilizando a teoria da potência conservativa e a sincronia do FAPA com o SIPA é realizada por meio de um algoritmo PLL com filtro de Kalman. Um protótipo trifásico é implementado para validar ambos o FAPA e as simulações / Abstract: Aircraft Active Power Filters (AAPFs) are most commonly used to improve energy quality in Aircraft Electrical Power Systems (AEPS by means of mitigating current harmonics, improving the source power factor and minimizing the effects of unbalanced loads. This work presents the design, simulation and implementation of a Multilevel AAPF for a Variable Speed Variable Frequency (VSVF) advanced aircraft electric power system. The AEPS is very different than the residential and industrial power systems, in these systems, the frequency may vary between 360 Hz and 800 Hz, and the load dynamics is often modified. For aircraft purposes an enhanced filtering technique is required. The proposed AAPF topology is composed by an Asymmetrical Multilevel Inverter (AMI), controlled by the Conservative Power Theory (CPT) and synchronized by a Kalman Filter Phase-Locked Loop (KF-PLL). A three phase AAPF prototype was implemented in order to investigate the proper system operation and accurateness to the simulations / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

A single-layer neural network-based voltage compensation technique which generates minimum-distortion sinusoidal output voltages from a three-phase PWM inverter used for uninterruptible power supplies (UPS) is described. The proposed compensation technique is implemented in a microprocessor-based controller constructed in the stationary d-q frame where the controller sampling rate is twice the inverter switching frequency. The structure of a feed-forward artificial neural network connects network inputs and outputs through multiple linear or nonlinear neuron models, and processes these input/output data associations in a parallel distributed manner. Network inputs in the form of UPS load voltage commands and load current feedback are propagated forward in the network each controller sampling period generating the inverter output voltage commands, the network outputs, which are converted to three phase inverter switching Signals using the space vector PWM waveform generation process. / Ph. D.

University of Macau / Faculty of Science and Technology / Department of Electrical and Electronics Engineering

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Title from first page of PDF file. Document formatted into pages; contains xvi, 209 p.; also includes graphics. Includes bibliographical references (p. 202-209). Available online via OhioLINK's ETD Center

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2005. / Available online via OhioLINK's ETD Center; full text release delayed at author's request until 2006 Aug 15.

Este trabalho apresentou a análise e a implementação prática do conversor CC-CC trifásico série ressonante operando no modo ZCS. A estrutura deste conversor foi modificada a fim de gerar um barramento CC isolado em alta frequência com tensões simetricamente divididas. Com base na teoria de retificadores multipulsos, a ponte de Graetz do estágio de saída do conversor CC-CC foi substituída por dois retificadores trifásicos, em ponte completa, conectados em série. O transformador isolador também necessitou de alterações, no sentido de alimentar isoladamente esses retificadores, conferindo independência ao funcionamento dos mesmos. Com isso, conseguiu-se grampear cada uma das saídas dos retificadores em uma tensão proporcional a tensão de alimentação do conversor, sem o uso de controladores. Nesse aspecto, o objetivo de gerar um barramento simétrico, propício à alimentação de inversores multiníveis do tipo NPC foi plenamente satisfeito. Demonstrou-se que a estratégia de geração de um barramento com tensões simetricamente divididas pode ser estendida a inversores com mais do que três níveis, caso do NPC. Todos os resultados teóricos foram confirmados através da implementação de um protótipo de 2 kW que atingiu um rendimento superior a 95%. / This work presents the analysis and practical implementation of the three-phase resonant series CC-CC converter operating in ZCS mode. The structure of this converter has been modified in order to generate a DC bus insulated at high frequency with symmetrically divided voltages. Based on the theory of multipulse rectifiers, the Graetz bridge of the output stage of the DC-DC converter has been replaced by two full-bridge three-phase rectifiers connected in series. The isolating transformer also needed changes, in the sense of feeding these rectifiers in isolation, giving independence to the operation of the same. As a result, each of the rectifier outputs was stapled to a voltage proportional to the drive voltage, without the use of controllers. In this respect, the objective of generating a symmetrical bus, suitable for feeding NPC multilevel inverters, was fully satisfied. It has been shown that the strategy of generating a bus with symmetrically divided voltages can be extended to inverters with more than three levels, in the case of the NPC. All theoretical results were confirmed by the implementation of a 2 kW prototype that achieved an efficiency of over 95%.