Este trabalho propõe a utilização de dois conversores de estágio único e elevado fator de potência para acionar LEDs de potência sem a utilização de capacitores eletrolíticos no barramento CC. Ambas as topologias podem operar com entrada universal, dimerização da corrente de saída e comando auto-oscilante. No entanto o número de dispositivos semicondutores é maior em relação aos conversores estáticos de energia convencionais. A correção do fator de potência do primeiro conversor proposto é obtida através de uma conexão direta realizada por um indutor inserido entre o estágio inversor de saída e dois capacitores conectados antes do estágio retificador de entrada criando um caminho alternativo para a corrente fornecida pela fonte de alimentação CA entre estes estágios. O segundo conversor realiza a correção do fator de potência através de dois indutores acoplados magneticamente conectados na entrada da ponte retificadora. Estes indutores também operam em conjunto com os dois capacitores de entrada e, por possuírem acoplamento subtrativo, processam energia de forma complementar propiciando um volume de núcleo reduzido em relação ao indutor da primeira topologia proposta. Em ambas as topologias apresentadas, a corrente da fonte de alimentação CA fornece energia instantânea com o dobro da frequência de comutação aplicada ao estágio inversor, permitindo a redução do filtro LC necessário na entrada do sistema. As correntes contínuas aplicadas aos LEDs das duas topologias são obtidas através de pontes retificadoras com filtros capacitivos conectados entre os estágios inversores e os pontos centrais de dois capacitores dos barramentos CC. Resultados de simulação e experimentais utilizando 12 LEDs conectados em série com potência total de 45 W, alimentados em 127 V e 220 V são apresentados para validarem as metodologias de projetos propostas. / Two single-stages high-power-factors converters without DC bus electrolytic capacitors for power LEDs applications are proposed in this work. The power factor correction of the first proposed topology is obtained through direct link of one boost inductor connected between the output inverter stage and two capacitors placed before of input bridge rectifier. In the second proposed lighting system, the power factor correction is performed by two magnetically coupled inductors placed at input bridge rectifier that also operate with the two input capacitors and the output inverter stage. In this case, the coupled inductors magnetic fluxes are complementary and their core is reduced when compared with the inductor of the first proposal. In both converters the input voltage provides instantaneous ripple current with twice switching frequency of the output inverter and the input filter inductor is reduced. To obtain continuous current on the LEDs, one output rectifier placed between output inverter stage and a neutron point (NP) of the two DC bus capacitors is used. The LEDS current is limited by a serie inductor. Through steady-state operation the main theorical waveforms as well as the converters design methodologies are presented. To verify the theoretical analysis carried out, simulation and experimental results are also presented. To verify the theoretical analysis, also simulation and experimental results using 12 LEDs connected in series with a power of 45 W, suplied at 127 V and 220 V are presented to validate the methodology proposed projects.

Este trabalho apresenta o projeto e implementação de um sistema UPS (Uninterruptible Power Supply) Line-Interactive monofásico com compensação ativa de potência série e paralela, o qual realiza a supressão de harmônicos e compensação de afundamentos e elevações da tensão da rede elétrica, além de manter a tensão na carga regulada. Adicionalmente, a UPS atua na compensação de potência reativa e supressão dos harmônicos de corrente da carga, resultando em uma efetiva correção do fator de potência. Desse modo, com a rede elétrica presente, a UPS opera como filtro ativo universal realizando a compensação da corrente de entrada, bem como da tensão de saída. Quando a rede elétrica está ausente, a UPS alimenta a carga com tensão regulada e com baixa taxa de distorção harmônica. Para este fim, dois conversores monofásicos PWM são empregados, sendo estes chamados de filtro ativo série (FAS), o qual atua como fonte de corrente senoidal e o filtro ativo paralelo (FAP), o qual atua como fonte de tensão senoidal, ambos controlados para operar em fase com a tensão da rede. Com o objetivo de extrair a corrente de referência senoidal de compensação, usada no controle do FAS, é utilizado um algoritmo baseado no sistema de eixo de referência síncrona (SRF-Synchronous Reference Frame). Para a obtenção da referência da tensão senoidal de saída, assim como as coordenadas do vetor unitário síncrono utilizados pelo algoritmo SRF, um sistema de detecção de ângulo de fase (PLL-Phase Locked Loop) monofásico é utilizado. Ensaios experimentais, bem como simulações computacionais são realizados a fim de confirmar o desenvolvimento teórico e avaliar o desempenho dinâmico e estático do sistema UPS. / This work presents a single-phase Line-interactive UPS System implementation with series and parallel active power-line compensation, which performs harmonic suppression and voltage sag/swell compensation of the utility voltage, as well as maintaining the output voltage regulated. Additionally, the UPS performs reactive power compensation and harmonic suppression of the load current, resulting in an effective power-factor correction. Thereby, when the incoming power grid is present, the UPS works as a universal active power filter compensating the input current and output voltage. On the other hand, when an outage occurs, the UPS feeds the load with regulated and harmonic free voltage. For this purpose, two single-phase PWM converters are employed, which are referred as series active power filter (SAPF), which acts as a sinusoidal current source, and parallel active power filter (PAPF), which acts as a sinusoidal voltage source. Both the APFs are controlled to be in phase with the input voltage. In order to extract the sinusoidal compensation reference current, used in SAPF control, an algorithm based on synchronous reference frame (SRF) is used. The sinusoidal output voltage reference and the coordinates of the synchronous vector are obtained by using a phase-locked loop (PLL) algorithm. Experimental results and computational simulations are presented to confirm the theoretical development and evaluate both the dynamic and steady state behavior of the UPS system.

Este trabalho apresenta o projeto e implementação de um sistema UPS (Uninterruptible Power Supply) Line-Interactive monofásico com compensação ativa de potência série e paralela, o qual realiza a supressão de harmônicos e compensação de afundamentos e elevações da tensão da rede elétrica, além de manter a tensão na carga regulada. Adicionalmente, a UPS atua na compensação de potência reativa e supressão dos harmônicos de corrente da carga, resultando em uma efetiva correção do fator de potência. Desse modo, com a rede elétrica presente, a UPS opera como filtro ativo universal realizando a compensação da corrente de entrada, bem como da tensão de saída. Quando a rede elétrica está ausente, a UPS alimenta a carga com tensão regulada e com baixa taxa de distorção harmônica. Para este fim, dois conversores monofásicos PWM são empregados, sendo estes chamados de filtro ativo série (FAS), o qual atua como fonte de corrente senoidal e o filtro ativo paralelo (FAP), o qual atua como fonte de tensão senoidal, ambos controlados para operar em fase com a tensão da rede. Com o objetivo de extrair a corrente de referência senoidal de compensação, usada no controle do FAS, é utilizado um algoritmo baseado no sistema de eixo de referência síncrona (SRF-Synchronous Reference Frame). Para a obtenção da referência da tensão senoidal de saída, assim como as coordenadas do vetor unitário síncrono utilizados pelo algoritmo SRF, um sistema de detecção de ângulo de fase (PLL-Phase Locked Loop) monofásico é utilizado. Ensaios experimentais, bem como simulações computacionais são realizados a fim de confirmar o desenvolvimento teórico e avaliar o desempenho dinâmico e estático do sistema UPS. / This work presents a single-phase Line-interactive UPS System implementation with series and parallel active power-line compensation, which performs harmonic suppression and voltage sag/swell compensation of the utility voltage, as well as maintaining the output voltage regulated. Additionally, the UPS performs reactive power compensation and harmonic suppression of the load current, resulting in an effective power-factor correction. Thereby, when the incoming power grid is present, the UPS works as a universal active power filter compensating the input current and output voltage. On the other hand, when an outage occurs, the UPS feeds the load with regulated and harmonic free voltage. For this purpose, two single-phase PWM converters are employed, which are referred as series active power filter (SAPF), which acts as a sinusoidal current source, and parallel active power filter (PAPF), which acts as a sinusoidal voltage source. Both the APFs are controlled to be in phase with the input voltage. In order to extract the sinusoidal compensation reference current, used in SAPF control, an algorithm based on synchronous reference frame (SRF) is used. The sinusoidal output voltage reference and the coordinates of the synchronous vector are obtained by using a phase-locked loop (PLL) algorithm. Experimental results and computational simulations are presented to confirm the theoretical development and evaluate both the dynamic and steady state behavior of the UPS system.

Orientador: Paulo José Amaral Serni / Coorientador: Eduardo Paciência Godoy / Banca: Everson Martins / Banca: Atila Madureira Bueno / Resumo: A preocupação com a qualidade da energia elétrica, seu uso e técnicas para redução de perdas elétrica não é mais uma tendência e sim uma necessidade, pois, tem se entendido que a energia elétrica é um bem comum e não deve ser desperdiçada. Nesse contexto, estratégias para controlar o nível de tensão e o fator de potência vêm sendo tratadas, com o objetivo de aprimorar o controle dessas variáveis. Este trabalho apresenta uma estratégia de controle integrado de regulação de tensão e do fator de potência para um sistema de distribuição de energia elétrica usando uma rede de comunicação sem fio. A estratégia de controle proposta consiste em uma rede de comunicação entre os dispositivos designados para operarem reguladores de tensão, transformadores com comutadores sob carga e banco de capacitores, concentrando as informações em um único dispositivo capaz de definir a operação dos demais dispositivos alocados no sistema, sendo a concentração das informações feita localmente, sem a necessidade de um sistema de controle centralizado, permitindo uma simplificação e uma redução significativa de custo para implementação de uma solução de controle integrado de tensão e do fator de potência. A estratégia de controle proposta foi modelada no ambiente Matlab®/Simulink® e a rede de comunicação na ferramenta TrueTime. O estudo apresenta uma comparação entre a estratégia proposta e o método de controle tradicional, abordando aspectos relacionados a qualidade de energia elétrica entregue, dema... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The issue about power quality, its rational use, and techniques to reduce electrical losses in the distribution systems is not anymore a trend but a necessity, due to, a understanding that the electricity is a common good, then, should not be wasted. Based on this context, strategies have been studying to control the voltage and power factor with the objective to improve the control of this variables. This work presents an integrated control for voltage and power factor strategy to distribution systems using a wireless network. The purposed strategy allows a communication between the devices designed to operate voltage regulators, on load transformers tap changers, and capacitors bank, concentrating all information in only one device, which is able to define the operation of others, being the concentration information made locally, without a necessity of the a centralize system, simplifying and reducing costs related the implementation of an integrated control for voltage and power factor. The strategy presented was modeled in the Matlab®/Simulink® and the communication network using the TrueTime toolbox. The study presents a comparison between the traditional strategy and the purposed, analyzing the power quality delivered, power demand in peak time, and electrical losses in the system. The results shows that the integrated control for voltage and power factor strategy allows the use of capacitors bank downstream of voltage regulators without any impact in the power quality ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

The entire thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file; a non-technical public abstract appears in the public.pdf file. Title from PDF of title page (University of Missouri--Columbia, viewed on October 6, 2009). Thesis advisor: Dr. Naz E. Islam. Includes bibliographical references.

Este trabalho apresenta uma nova topologia de conversor CA-CC trifásico de estágio único com elevado fator de potência baseado no conversor SEPIC MCD, contendo interruptores bidirecionais. Este se comporta como um seguidor da tensão mesmo em malha aberta (característica dos conversores SEPIC MCD), ou seja, emula uma resistência do ponto de vista da rede elétrica. Sendo assim, o esforço de controle é reduzido a apenas uma malha de controle, sendo esta para controlar a tensão de saída, como em um conversor CC-CC. Este conversor de estágio único tem elevada confiabilidade, uma vez que emprega quatro interruptores ativos, com o mesmo sinal de comando, e seis diodos de alta frequência para a conversão de corrente alternada para corrente contínua (CA-CC) com alto fator de potência e isolação em alta frequência. Como desvantagens, tem-se a restrição na escolha da relação de transformação, a qual implica em elevados valores de corrente no secundário para baixas tensões de saída. São apresentadas as etapas de operação, as formas de onda ideais, as equações que regem o funcionamento do conversor, os resultados de simulação numérica contrastados com os valores teóricos e resultados experimentais. As especificações aplicadas ao conversor são 127 V na tensão de entrada, 200 V na tensão de saída, 50 kHz da frequência de comutação e 1500 W de potência para a carga. O protótipo gerado a partir dessas especificações apresenta 0,9981 de fator de potência, 4,234% de taxa de distorção harmônica e um rendimento de 85,522% para condições nominais. Devido as suas características, considera-se uma boa opção para sistemas trifásicos de baixa potência, onde não se justifica um elevado custo. / This work presents a new three-phase high power factor single-stage AC-DC converter based on the DCM SEPIC topology, using bidirectional switches. This converter operates as a voltage follower even in open loop (SEPIC DCM converter characteristic), in other words, it emulates a resistance from the electric grid point of view. Therefore, the control effort is reduced to a single control loop to control the DC output voltage, like an output voltage control of a DC-DC converter. This single-stage converter has high reliability, since it employs four active switches with the same command signal and six high frequency diodes for AC-DC conversion with high power factor and high frequency isolation. 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. Hereon are presented the operation modes, the ideal waveforms, the main equations of the converter, the numerical simulation results contrasting with the theoretical values and experimental results. Design specifications are 127 V input voltage, 200 V output voltage, 50 kHz switching frequency and 1500 W output power. The prototype is obtained by following the specifications and it shows 0.9981 of power factor, 4.234% of total harmonic distortion and 85.522% of efficiency for rated condition. This converter is considered a choice for low power three-phase systems with low cost realization.

Este trabalho propõe um sistema eletrônico de único estágio para acionar LEDs de potência empregando os conceitos Charge-Pump e Valley-Fill. Ambos conceitos estão relacionados a configurações topológicas baseadas na integração de um retificador boost de entrada com um inversor meia onda de saída, caracterizando o sistema de único estágio. A configuração Charge-Pump é utilizada para diminuir a ondulação de corrente dos LEDs. A configuração Valley-Fill é empregada para grampear a tensão de barramento CC em níveis inferiores ao valor de pico da tensão da fonte de entrada durante um longo intervalo de tempo no período da rede de alimentação, mantendo o sistema com elevado fator de potência. Desta forma é possível utilizar capacitores de barramento com valores reduzidos. O princípio de funcionamento do conversor proposto, que em regime permanente inclui três modos de operação, será apresentado e analisado. Uma metodologia de projeto, bem como resultados de simulação também serão apresentados para que se possa verificar as características operacionais do sistema. Neste trabalho será utilizado o comando simétrico em uma frequência de comutação de 67 kHz e 90 kHz. A tensão de alimentação é de 220 V e a carga é composta por 18 LEDs conectados em série com potência total de 47 W. / This work proposes a single stage electronic system to drive power LEDs employing Charge-Pump and Valley-Fill concepts. Both concepts are related to topological configurations based on the integration of an input boost rectifier with an output halfbridge inverter, characterizing the single stage system. The Charge-Pump configuration is used to decrease LEDs' current ripple. The Valley-Fill configuration is used to restrict the DC bus voltage at levels lower than the input source voltage peak value over a long period of time in the source period, keeping a high power-factor system. Thus, it is possible to use bus capacitors with reduced values. The proposed converter operation principle, which in steady-state includes three operation modes, that will be presented and analyzed. A design methodology as well as simulation results will also be presented so that the system operational characteristics can be verified. In this paperwork, the symmetric command will be used at a switching frequency of 67 KHz. The supply voltage is 220 V and the load is composed of 18 LEDs series connected with total power of 47 W.

Este trabalho propõe um sistema eletrônico de único estágio para acionar LEDs de potência empregando os conceitos Charge-Pump e Valley-Fill. Ambos conceitos estão relacionados a configurações topológicas baseadas na integração de um retificador boost de entrada com um inversor meia onda de saída, caracterizando o sistema de único estágio. A configuração Charge-Pump é utilizada para diminuir a ondulação de corrente dos LEDs. A configuração Valley-Fill é empregada para grampear a tensão de barramento CC em níveis inferiores ao valor de pico da tensão da fonte de entrada durante um longo intervalo de tempo no período da rede de alimentação, mantendo o sistema com elevado fator de potência. Desta forma é possível utilizar capacitores de barramento com valores reduzidos. O princípio de funcionamento do conversor proposto, que em regime permanente inclui três modos de operação, será apresentado e analisado. Uma metodologia de projeto, bem como resultados de simulação também serão apresentados para que se possa verificar as características operacionais do sistema. Neste trabalho será utilizado o comando simétrico em uma frequência de comutação de 67 kHz e 90 kHz. A tensão de alimentação é de 220 V e a carga é composta por 18 LEDs conectados em série com potência total de 47 W. / This work proposes a single stage electronic system to drive power LEDs employing Charge-Pump and Valley-Fill concepts. Both concepts are related to topological configurations based on the integration of an input boost rectifier with an output halfbridge inverter, characterizing the single stage system. The Charge-Pump configuration is used to decrease LEDs' current ripple. The Valley-Fill configuration is used to restrict the DC bus voltage at levels lower than the input source voltage peak value over a long period of time in the source period, keeping a high power-factor system. Thus, it is possible to use bus capacitors with reduced values. The proposed converter operation principle, which in steady-state includes three operation modes, that will be presented and analyzed. A design methodology as well as simulation results will also be presented so that the system operational characteristics can be verified. In this paperwork, the symmetric command will be used at a switching frequency of 67 KHz. The supply voltage is 220 V and the load is composed of 18 LEDs series connected with total power of 47 W.

A comparative study of the economic benefits that can be obtained from different degrees of power factor correction for medium and small scale industrial installations is shown. A new approach for precise calculation of kws and kvars required at different power factors is presented. These calculated values are used to find the return on investments for the capacitors needed for power factor correction. The developed method is easy to use, cost effective, accurate and will help electrical engineers with minimum knowledge of power systems to precisely determine the savings available by improving the power factor of an industrial load.

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.