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 Based on the theory of multipulse rectifiers, the Graetz bridge of the output stage of the DC-DC converter has been replaced by two full-bridge three-phase rectifiers connected in series.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%.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta o projeto e análise de uma estratégia de controle para inversores monofásicos conectados a rede de distribuição de energia elétrica. A estratégia é projetada com o objetivo de atender os limites harmônicos do padrão IEEE 1547.2-2008 e ao mesmo tempo suportar uma faixa de variação dos parâmetros da rede elétrica, como frequência, resistência e indutância. Neste sentido, a estratégia envolve um conjunto de técnicas como: um sincronizador de fase e frequência; controladores de corrente e potência, com rejeição de harmônicos; amortecimento ativo; estimador de corrente; filtro digitais; entre outras. Para essa estratégia de controle, foi escolhido o controlador proporcional ressonante (PR) e um sincronizador de fase e frequência de segunda ordem (MSOGI-FLL) com capacidade de suportar variações usuais de frequência. Ainda, um filtro de conexão passivo do tipo LCL-LC e um algoritmo de rejeição o de harmônicos (HC) são utilizados para atender os limites de conteúdo harmônico. Para aumentar a margem de estabilidade do sistema é utilizado uma técnica de amortecimento ativo. Para implementação dessa técnica de amortecimento ativo é proposto um novo estimador da corrente do capacitor do filtro de conexão de fácil implementação e que suporta variações da impedância da rede elétrica, entre redes fracas e redes fortes. Esse trabalho também contribui com o projeto dos ganhos do controlador PR com amortecimento ativo apresentado a estabilidade em uma ampla de faixa de parâmetros da rede elétrica, o que pode caracterizar desde uma rede fraca até uma rede forte. Para validação experimental da estratégia proposta foi construído um protótipo de um inversor monofásico de 1 kW, com características similares de produtos comerciais, como custo e dimensões reduzidas. O funcionamento da estratégia de controle proposta e do conversor de potência foi verificado por meio de resultados experimentais. Os vários resultados apresentados no trabalho corroboram o bom desempenho do sistema projetado e analisado em simulações computacionais. A distorção harmônica total (DHT) da forma de onda de corrente ´e inferior a 2,3% em todos os casos analisados, atendendo o padrão IEEE 1547.2-2008. / This work presents the design and analysis of a control strategy for single-phase inverters connected to the electric power distribution network. The strategy is designed to comply with the harmonic limits of the IEEE 1547.2-2008 standard and at the same time support a range of grid parameters variation such as frequency, resistance and inductance. In this sense, the strategy involves a set of techniques such as: a phase and frequency syn- chronizer; current and power controllers with harmonic compensation; active damping; current estimator; digital filter; among others. For this control strategy, a resonant pro- portional controller (PR) and a second-order phase-frequency synchronizer (MSOGI-FLL) with the capacity to withstand usual frequency variations were chosen. Furthermore, a LCL-LC passive connection filter and a harmonic compensation algorithm (HC) are used to comply with the harmonic limits. To increase the stability of the system an active damping technique is used. To implement this active damping technique, it is proposed a new estimator of the filter capacitor current with an easy implementation and support for electrical grid impedance variations between weak grids and strong grids. This work contributes to the PR controller with active damping gains design seeking stability in a wide range of parameters of the electrical grid that characterizes from a weak grid to a strong grid. For experimental validation of the proposed strategy a prototype of a 1 kW single-phase inverter was built, with characteristics of commercial products, such as cost and dimensions restrictions. The operation of the power converter and the proposed control strategy was verified through experimental results. The various results presented in the paper corroborate the good performance of the system analyzed in computational simulations. The total harmonic distortion (DHT) of the current waveform is lower than % in all analyzed cases, meeting the IEEE 1547.2-2008 standard.

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

CAPES; CNPq; Fundação Araucária / A operação de unidades de geração distribuída (UGDs) é um assunto relativamente novo no cenário energético brasileiro. A conexão destas unidades à rede, bem como sua desconexão vêm sendo abordadas em pesquisas recentes em todo o mundo. É necessário que a energia elétrica entregue à rede e à carga tenha certos níveis de qualidade para que o consumidor seja devidamente atendido até mesmo em situações de contingência. Outro cuidado necessário é com relação aos sistemas de controle envolvidos, para que operem sem degradar a qualidade de energia. Neste sentido, este trabalho propõe a análise da estabilidade e da qualidade de energia no ponto de conexão de uma unidade de geração distribuída à rede e a carga ou apenas à carga, sendo ambas situações através de filtro LCL (indutivo-capacitivo-indutivo). Este tipo de filtro possui uma impedância caracterizada por um pico de ressonância próximo a sua frequência de corte. É necessário que este pico seja amortecido para que o sistema não seja levado à instabilidade. Nesta dissertação são propostos alguns casos para análise. Estes casos se diferem pela variável controlada, pela forma de operação do sistema e pela técnica não amortecimento utilizada. No caso do inversor conectado à rede e à carga, são analisados os casos em que a corrente do primeiro ou do segundo indutor de filtro é a variável controlada. Já para o caso em que o inversor está apenas alimentando a carga local, a variável controlada é a tensão no capacitor do filtro LCL. Todos estes casos são avaliados operando sem amortecimento nenhum da ressonância, com amortecimento passivo ou com amortecimento ativo. Além disso, para estes cenários há ainda a variação nos parâmetros da carga RL(resistiva-indutiva) a fim de verificar qual é a influência da variação da carga na estabilidade do sistema e na qualidade de energia no ponto de conexão. As análises de estabilidade são realizadas através de diagramas de Bode e mapas de polos e zeros do sistema. A análise da qualidade da energia realiza-se por meio de resultados experimentais obtidos em uma bancada experimental. Verifica-se através dos resultados que em termos de qualidade de energia não existem alterações significativas controlando-se diferentes variáveis no modo conectado. Além disso, constata-se também que outros fatores, além da variável controlada, do tipo de técnica utilizada para amortecimento e da frequência crítica influenciam na instabilidade ou não do sistema devido à ressonância. Através das análises, observa-se também que um controlador PI (proporcional-integral) bem ajustado pode oferecer robustez ao sistema frente às variações de parâmetros da carga e consequentes variações nas variáveis controladas. Nota-se também que para o caso ilhado, as DHTi e DHTv (Distorções Harmônicas Totais de Corrente e de Tensão) são baixas, fornecendo energia com boa qualidade para a carga local alimentada pelo sistema. / The operation of distributed generation units (DGUs) is a relatively recent issue in the Brazilian energetic scenario. The connection of these units to the grid, as their disconnection are being approached in recent researches worldwide. It is necessary that the electrial power delivered to the grid and to the power has some levels of quality so the consumer may be well attended even in contingence situations. Another necessary caution is related to the control systems involved, so they operate without degrade the power quality. At this point, this work proposes the stability and power quality analysis in the point connection of a distributed generation unit to the grid and to the load or just to the load, both situations through LCL (inductive-capacitive-inductive) filter. This kind of filter has an impedance that is characterized by resonance peak near to its cut-off frequency. It is necessary to damp this peak in order that the sytem is not lead to instability. In this Master Thesis, some cases are proposed to be analyzed. These cases differ one from another because of the controlled variable, by the kind of operation of the system and by the damping technique that is used. In the case of the grid and load-tied inverter, the analyzed cases are those in which the first or second filter inductor current is the controlled variable. For the case in which the inverter is just feeding the local load, the controlled variable is the LCL filter capacitor voltage. All of these cases are evaluated by operating with none resonace damping, passive damping or active damping. Beyond this, for these scenarios, there is the parameters variation of the RL (resistive-inductive) load in order to check which is the influence of the load variations in the system stability and in the power quality at the connection point. The stability analysis are performed through Bode diagrams and pole-zero maps of the system. The power quality analysis is carried out by means of experimental results obtained in an experimental bench. It is verified through the results that in terms of power quality, there is not significantly changes by controlling different variables in the grid-tied mode. Furthermore, other factors, beyond the controlled variable, the kind of damping technique and the criticak frequency influence in the instability of the system due to the resonance. Through the analysis, it is oberserved that a well-adjusted PI (proporcional-integral) controller may offer robustness to the system under load parameter variations and consquent controlled variable variations. It is also noted that for the stand-alone case, the THDi and the THDv (Total Harmonic Distortions of Current and Voltage) are low, providing good power to the local load fed by the system.

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

Orientador: José Antenor Pomilio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T00:46:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alvarenga_MarcosBalduinode_D.pdf: 18917931 bytes, checksum: a0630621c255135a8bf5fd49974daea6 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Esta tese apresenta contribuições para o emprego de inversor multinível em cascata simétrica como filtro ativo de potência. O balanceamento das tensões nos barramentos CC é feito a partir de informação de um único bit obtido em cada módulo do conversor. O balanceamento é realizado através da postergação ou da supressão dos pulsos e, também, pela organização da ordem de acionamento das chaves semicondutoras de potência. A estratégia de modulação desenvolvida permite também a equalização dos pulsos de chaveamento entre os diversos módulos do inversor e suprime um porcentual de comutações redundantes ou irrelevantes, minimizando as perdas do conversor. Toma-se como parâmetro de qualidade a distorção harmônica decorrente de tais procedimentos. A técnica desenvolvida viabiliza a inserção de células em redundância, o que aumenta a confiabilidade da operação, favorecendo sua aplicação em filtros ativos de potência e dispositivos de condicionamento aplicados em redes de energia elétrica. O controle da corrente do filtro ativo e o controle das tensões nos barramentos CC são executados por dois controladores independentes, cujos projetos são detalhados e equacionados. A estratégia foi avaliada em um protótipo experimental de baixa tensão, constituído de um conversor multinível composto por quatro células simétricas, sendo uma em redundância, comandadas por um microcontrolador. Foram realizadas, também, simulações, considerando um alimentador de distribuição com 22,5 MVA e 13,8 kV. Nas análises dos resultados, são considerados os valores estabelecidos por normas relativas ao limite de harmônicas de corrente / Abstract: The present thesis shows contributions to the use of symmetrical cascaded multilevel inverter as active power filter. The balancing of the voltages on the DC bus is made from a single bit of information obtained in each converter module. Balancing is performed by postponement or suppression pulses and also for organizing the order of activation of the power semiconductor switches. The modulation strategy developed also allows the equalization of switching pulses between different inverter modules and removes a percentage of redundant or irrelevant switching, minimizing the losses of the converter. Taken as the quality parameter was the harmonic distortion resulting from such procedures. The technique developed enables the insertion of cells in redundancy, which increases reliability of the operation, in favor of their use in active power filters and conditioning devices used in power grids. The current control of active filter and control voltages in DC buses are performed by two independent controllers, whose projects are detailed and calculated. The strategy was evaluated in an experimental prototype low-voltage, consisting of a multilevel converter composed of four symmetrical cells, one redundancy, controlled by a microcontroller. It was also performed simulations considering a distribution feeder with 22.5 MVA and 13.8 kV. In the analysis of the results it was taken into account established values by standards for harmonic current limit / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientadores: Ernesto Ruppert Filho; Marcelo Gradella Villalva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-20T00:11:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ota_JoaoInacioYutaka_M.pdf: 7717643 bytes, checksum: c0a1a3d8391b140cd3113fbbbc0106b8 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre filtro ativo de potência paralelo para sistema trifásico com quatro fios, discutindo técnicas de compensação e de controle de correntes. O estudo concentra-se no filtro ativo paralelo composto por um inversor do tipo fonte de tensão com quatro pernas. Com esta estrutura de conversor são realizados estudos e simulações em computador de estratégias de compensação de correntes harmônicas e de controle de correntes. São investigadas técnicas de controle repetitivo, ressonante e proporcional-integral. Os sistemas de controle de correntes são construídos com um algoritmo de modulação por largura de pulsos tridimensional com vetores espaciais, que é investigado em detalhes no trabalho / Abstract: This dissertation presents a study of three-phase four-wire shunt active power filter, discussing compensation and control currents techniques. The study focuses on the shunt active filter composed by a four-leg voltage source inverter. Using this converter structure studies about strategies for compensation of harmonic currents and current control are carried out through computer simulations. Repetitive, resonant and proportional-integral control techniques are investigated. The current control system is performed using an algorithm of three-dimensional space-vector pulse width modulation, which is investigated in detail in the work / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

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.

Amorphous oxide semiconductor (AOS) thin-film transistors (TFTs) constitute the central theme of this thesis. Within this theme, three primary areas of focus are pursued. The first focus is the realization of a transparent three-stage ring oscillator with buffered output and an output frequency in the megahertz range. This leads to the possibility of transparent radio frequency applications, such as transparent RFID tags. At the time of its fabrication, this ring oscillator was the fastest oxide electronics ring oscillator reported, with an output frequency of 2.16 MHz, and a time delay per stage of 77 ns. The second focus is to ascertain whether a three-terminal device (i.e., a TFT) is an appropriate structure for conducting space-charge-limited-current (SCLC) measurements. It is found that it is not appropriate to use a diode-tied or gate-biased TFT configuration for conducting a SCLC assessment since square-law theory shows that transistor action alone gives rise to I proportional to V² characteristics, which can easily be mistakenly attributed to a SCLC mechanism. Instead, a floating gate TFT configuration is recommended for accomplishing SCLC assessment of AOS channel layers. The final focus of this work is to describe an assessment procedure appropriate for determining if a dielectric is suitable for use as a TFT gate insulator. This is accomplished by examining the shape of a MIM capacitor's log(J)-ξ curve, where J is the measured current density and ξ is the applied electric field. An appropriate dielectric for use as a TFT gate insulator will have a log(J)-ξ curve that expresses a clear breakover knee, indicating a high-field conduction mechanism dominated by Fowler-Nordheim tunneling. Such a dielectric produces a TFT with a minimal gate leakage which does not track with the drain current in a log(I[subscript D])-V[subscript GS] transfer curve. An inappropriate dielectric for use as a TFT gate insulator will have a log(J)-ξ curve that does not express a clear breakover knee, indicating that the dominate conduction mechanism is defect driven (i.e., pin-hole like shunt paths) and, therefore, the dielectric is leaky. It is shown that experimental log(J)-ξ leakage curves can be accurately simulated using Ohmic, space-charge-limited current (SCLC), and Fowler-Nordheim tunneling conduction mechanisms. / Graduation date: 2010