FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe um conversor com capacitor chaveado para o acionamento de LEDS (Light Emitting Diodes) de potÃncia. Em contraste com circuitos de acionamento convencionais de corrente contÃnua, o pulso de corrente direcionado para os LEDs, à limitado pela potÃncia armazenada no capacitor chaveado. Neste circuito, o capacitor à carregado e descarregado atravÃs do circuito de saÃda e a direÃÃo do fluxo de corrente à controlada pelos interruptores. Baseado na anÃlise do controle de carga, os efeitos do comutaÃÃo no conversor proposto sÃo discriminados e avaliados. Os resultados experimentais demonstram a viabilidade tÃcnica de utilizar o conversor proposto para LEDs. / This paper proposes a switched-capacitor converter to drive power light emitting diodes (LEDs). In contrast to conventional constant dc current drivers, the current pulse is provided by this switched-capacitor LED driver. In the present driver, the capacitor is charged and discharged through of the output circuit and the current flow direction is controlled by switch. Based on the charge control analysis, the effects of switching devices on the proposed converter are discriminated and evaluated. The experimental results demonstrated the technical feasibility of using the proposed converter for LEDs.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O setor fotovoltaico, devido ao seu grande crescimento nos Ãltimos anos, vem destacando-se significativamente diante de todas as outras fontes de energia renovÃveis e, por isso, tornou-se a terceira maior fonte limpa de geraÃÃo de energia elÃtrica do mundo. No Brasil, esse setor ainda nÃo possui uma relevÃncia na matriz energÃtica devido à tecnologia de conversores e de painÃis ser, na maioria das vezes, toda importada. Considerando a necessidade do desenvolvimento dessa tecnologia, este trabalho vem propor a pesquisa e a implementaÃÃo de um conversor CC/CC de alto ganho aplicado a sistemas fotovoltaicos, que tem como objetivo principal retirar a energia de um mÃdulo fotovoltaico e injetÃ-la em um barramento constante de corrente contÃnua. Um mÃdulo fotovoltaico à conectado na entrada do conversor de alto ganho com tensÃo de saÃda igual a 17 Vcc. Esse conversor eleva a sua tensÃo de entrada e injeta sua corrente de saÃda em um barramento constante de 311 Vcc, utilizando a busca do ponto de mÃxima potÃncia (MPPT). O protÃtipo implementado em laboratÃrio foi desenvolvido para uma potÃncia nominal de 100 W e nÃo possui capacitores eletrolÃticos, aumentando assim o tempo de vida Ãtil do conversor e permitindo incorporar o conversor ao mÃdulo fotovoltaico. O protÃtipo se mostrou robusto e de baixo custo, caracterÃsticas necessÃrias para um conversor aplicado a fontes renovÃveis de energia. O desempenho do protÃtipo, na busca do ponto de mÃxima potÃncia, superou as expectativas do autor, mostrando que um algoritmo bastante simples pode ser extremamente confiÃvel quando se opta pela configuraÃÃo de um conversor por mÃdulo. / The photovoltaic sector has been distinguishing itself from all other renewable energy sources, due to its large growth through the last years. For this reason, it has become the third major clean source of power generation worldwide. In Brazil, this sector still doesnât have great pertinence in the energy matrix, given the imported technology of converters and panels. Considering the demand to develop this technology, this paper propounds the research and implementation of a high gain DC/ DC converter applied to photovoltaic systems, which aims mainly to remove energy from a photovoltaic module and inject it into a DC constant bus. A photovoltaic module is connected to the input of the high gain converter, with an output voltage equals to 17 Vdc. This converter raises its input voltage and injects its output current at a constant 311 Vdc bus, using the maximum power point tracking (MPPT). The laboratory implemented prototype was designed for a rated power of 100W and it doesnât have electrolytic capacitors, thereby increasing the lifetime of the converter and also allowing the incorporation the converter to the photovoltaic module. The prototype had a strong and low cost performance, necessary characteristics for a converter applied to renewable energy sources. The prototype performance exceeded the authorâs expectations, in relation to the maximum power point tracking. Thus, a quite simple algorithm can be extremely reliable when choosing to configure a converter through a module.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Universidade Federal do Cearà / Atualmente, existem no mercado internacional vÃrios fabricantes de conversores estÃticos para infraestrutura fotovoltaica. No Brasil, por praticamente nÃo existir um produto com tecnologia nacional que atinja este nicho de mercado, à importante e urgente o desenvolvimento de tecnologia nacional na Ãrea de conversores para sistemas fotovoltaicos. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um conversor CC-CA trifÃsico com a finalidade de interligar um sistema fotovoltaico com a rede elÃtrica, onde o objetivo principal deste sistema à fornecer potÃncia ativa para o sistema elÃtrico trifÃsico. Este conversor CC-CA trifÃsico à composto por um estÃgio de conversÃo CC-CC, o qual consiste em um conversor do tipo elevador (Boost), e um estÃgio de conversÃo CC-CA. A escolha da topologia do conversor considerou alguns critÃrios, tais como baixo custo de aquisiÃÃo e de manutenÃÃo, baixa complexidade e elevado grau de compactaÃÃo e de confiabilidade. A modelagem e o controle do conversor sÃo feitos vetorialmente, ou seja, utilizando as transformadas dq0 direta e inversa. Este controle foi implementado em um controlador digital sinais (DSC) da famÃlia dsPIC. O projeto dos controladores de ambos os estÃgios foi feito de forma digital. Por meio da simulaÃÃo foi validado o funcionamento do conversor e de seus controladores projetados. Para a realizaÃÃo dos testes experimentais algumas modificaÃÃes de projeto tiveram que ser efetuadas, pois se verificou uma quantidade significativa de interferÃncia eletromagnÃtica e ruÃdos gerados pelo protÃtipo durante o seu funcionamento. Dentro das condiÃÃes estabelecidas foi possÃvel injetar na rede elÃtrica uma potÃncia em torno de 40% do valor mÃximo especificado. Os resultados experimentais obtidos a partir do protÃtipo montado em laboratÃrio validaram o algoritmo de controle implementado no conversor, sendo injetadas na rede elÃtrica correntes senoidais com baixo conteÃdo harmÃnico e na frequÃncia do sistema elÃtrico brasileiro. / Currently, there are several manufacturers in the international market of static converters for photovoltaic infrastructure. In Brazil, by there is no product with a national technology to reach this niche market, is important and urgent to develop national technology in the field of DC-AC converters to PV systems. The present work consists of developing of a three-phase AC-DC converter with the purpose of connect a PV system to the electricity grid, where the main objective of this system is to provide active power for the three-phase electrical system. This three-phase AC-DC converter is composed of a stage of DC-DC conversion, which consists in a boost converter, and a stage of DC-AC conversion. The choice of converter topology considered some criteria, such as low cost of acquisition and maintenance, low complexity, high compaction and reliability. The modeling and control of the converter are made using the concept of space vector, in the other words, using the dq0 transform direct and inverse. This control was performed in a digital signal controller (DSC) of dsPIC family. The design of the controllers of both stages was done digitally. Through simulation was validated the operation of the converter and its controllers designed. For the experimental tests some design changes had to be made because there was a significant amount of electromagnetic interference and noise generated by the prototype during its operation. From the conditions established was possible to inject into the electricity grid a just over 40% of the maximum value of power specified. The experimental results from the prototype validated the control algorithm implemented in the converter, being injected into the electricity grid sinusoidal currents with low harmonic content and frequency of the brazilian electrical system.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Este trabalho apresenta uma topologia de inversor multinÃvel hÃbrido simÃtrico trifÃsico de cinco nÃveis, concebido a partir das estruturas meia ponte e inversor com grampeamento ativo do neutro, adequado para aplicaÃÃes com alta tensÃo e alta potÃncia. SÃo apresentados os possÃveis estados de comutaÃÃo, lÃgica de acionamento, cÃlculo dos esforÃos nos semicondutores, assim como um estudo de perdas. Duas estratÃgias de modulaÃÃo sÃo selecionadas possibilitando a operaÃÃo concomitante de metade dos interruptores em baixa frequÃncia (60 Hz) e a outra em alta frequÃncia (1020 Hz), reduzindo o nÃmero de comutaÃÃes, consequentemente as perdas nos semicondutores e o conteÃdo harmÃnico da tensÃo de saÃda. Para validar a proposta, foi desenvolvido um protÃtipo com potÃncia de 7,5 kVA e tensÃo de saÃda eficaz de linha 380 V. AlÃm disso, à apresentada a implementaÃÃo de ambas as modulaÃÃes no dispositivo lÃgico programÃvel escolhido, FPGA. Os resultados experimentais da estrutura trifÃsica validam a topologia proposta. A estrutura, operando com a modulaÃÃo baseada na PD-PWM, apresentou DHT de 29,71% e WTHD de 1,93%, enquanto que a baseada na CSV-PWM apresentou DHT de 38,45% e WTHD de 7,21%. AlÃm disso, o rendimento da estrutura proposta à superior se comparado ao da topologia Half-Bridge/NPC, conforme esperado em funÃÃo das perdas na estrutura Half-Bridge/NPC serem maiores e mal distribuÃdas. / This work presents a new topology of a hybrid five-level inverter, conceived from the halfbridge and active neutral point clamped structures, suitable for high-voltage, high-power applications. The possible commutation stages, the switching drive logic, the semiconductors stresses mathematical analysis, and the losses study are presented. Two modulation techniques were selected in order to allow low-frequency (60 Hz) switches operate together with high-frequency switches (1020 Hz), reducing the number of commutations and, consequently, the overall losses and the output voltage total harmonic distortion. In order to validate the proposal, it was developed a 7.5 kVA prototype and AC line output voltage of 380 V. The digital implementation from both modulation techniques on the chosen programmable logic device FPGA is also presented. The experimental results relative to the three-phase structure validate the proposed topology. The topology, operating with the modulation based on Sinusoidal In-Phase Disposition - PWM, presented a THD of 29.71%, and WTHD of 1.93%, while the one based on the Centered Space Vector - PWM presented a THD of 38.45%, and a WTHD of 7.21%. Besides, the overall efficiency is superior when compared to the Half-Bridge/NPC topology, as expected, due to the fact that losses on this structure are higher and misdistributed.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe o projeto de uma UPQC-UPS monofÃsica de 1,4 kVA e alta eficiÃncia com capacidade de filtragem ativa atravÃs de dois conversores conectados em sÃrie e em paralelo. Com esta topologia, à possÃvel obter uma elevada eficiÃncia e combinar as vantagens dos tipos de UPS on-line e line-interactive, melhorando, ao mesmo tempo, a qualidade de energia da rede e protegendo as cargas de harmÃnicos e oscilaÃÃes de tensÃo. As referÃncias de compensaÃÃo dos conversores sÃrie e paralelo sÃo gerados utilizando a Teoria p-q, que propÃem um conjunto de definiÃÃes para lidar com sistemas elÃtricos sob condiÃÃes nÃo-senoidais. De acordo com os resultados de simulaÃÃo, foi comprovado que, quando os conversores sÃrie e paralelo estÃo em funcionamento, a corrente de entrada do sistema possui baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHi) e o sistema apresenta um fator de potÃncia elevado, mesmo para cargas nÃo-lineares. AlÃm disso, à fornecida à carga uma tensÃo senoidal com baixa taxa de distorÃÃo harmÃnica (TDHv) e com valor eficaz fixo mesmo com oscilaÃÃes na tensÃo de entrada, tanto no modo rede como no modo bateria. SimulaÃÃes foram desenvolvidas no software PSCAD/EMTDC. / This work proposes the design of an UPQC-UPS high efficiency single phase 1.4 kVA with active filter capabilities throughout the parallel and series converters. With this topology, it is possible to obtain high efficiency and combine the advantages of both on-line and line interactive UPS systems improving, at the same time, the grid energy quality. The series/parallel compensation references were generated using the p-q Theory which defines a joint of power definitions to deal with electric systems under non-sinusoidal conditions. According to the simulation results, it was shown that the system input current has a low total harmonic distortion (THDi) and it presents high power factor. Also, the load voltage has a sinusoidal shape with low total harmonic distortion (THDv), both in its grid and battery mode operation. Such simulations were developed in the software PSCAD/EMTDC.

Neste tabalho à realizado o estudo de um conversor de trÃs nÃveis com ponto neutro grampeado (NPC), proposto para a interligaÃÃo de sistemas de conversÃo de energia à rede elÃtrica. Para tanto à utilizado um filtro indutivo L, tÃcnicas de controle vetorial, e a tÃcnica PLLcomo mÃtodo de sincronismo. SÃo desenvolvidas equaÃÃes para a determinaÃÃo das perdas do conversor, as quais podem ser aplicadas a diversas tÃcnicas de modulaÃÃo PWM. TrÃs tÃcnicas sÃo apresentadas: modulaÃÃo PD; modulaÃÃo com injeÃÃo de terceiro harmÃnico (THIPWM); e modulaÃÃo vetorial baseada em portadora (CB-SVPWM). Toda a modelagem do sistema à apresentada, bem como um exemplo de projeto para um sistema de 6 kW.SÃo realizadas simulaÃÃes computacionaispara diferentes estudos de caso, validando o projeto do conversor e a modelagem desenvolvida. A resposta Ãs dinÃmicas do sistema à satisfatÃria, sendo o conversor capaz de controlar o fluxo de potÃncia ativa (com fator de potÃncia uniÃrio) e reativa entregues à rede. / This work deals with the study of a three-level inverter with Neutral Point Clamped (NPC), proposed for the interconnection of energy conversion systems to the grid. In order to accomplish a complete study, an inductive filter L is proposed, as well as vector control techniques and a PLL synchronization method. Equations are developed for the determination of the losses of the converter, which can be applied to various PWM techniques. Three Modulation techniques are presented: Phase Disposition modulation(PD), modulation with injection of the third harmonic (THIPWM) and carrier-based space vector modulation (SVPWM-CB). The complete modeling system is presented, as well as an example for designing a system of 6 kW. Numerical simulations are performed for different study cases, validating the converter design and modeling developed. The simulation results show that the proposed NPC converter is fully satisfactory, the converter being able to control the active (unity power factor) and reactive power flow delivered to the grid.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Visando superar os desafios inerentes à conversÃo de energia elÃtrica em sistemas de alta potÃncia, minimizando as perdas e melhorando a qualidade da energia processada, este tra-balho tem por objetivo analisar e implementar uma tÃcnica de modulaÃÃo para ser aplicada nas duas topologias de inversores multinÃveis mais disseminadas - com neutro grampeado (NPC), e com capacitor flutuante (FC) - a fim de reduzir os esforÃos nos semicondutores, bem como melhorar o Ãndice de distorÃÃo harmÃnica da tensÃo de saÃda. Ao longo do trabalho foi evidenciada a necessidade da digitalizaÃÃo da tÃcnica proposta, visto que o desenvolvimento analÃgico da mesma acarretaria em um circuito complexo e de baixa confiabilidade. Dessa forma, escolheu-se como plataforma digital um FPGA, devido à sua facilidade de programa-ÃÃo e reconfiguraÃÃo, alÃm da alta velocidade e quantidade de pinos de entrada e saÃda. AlÃm da tÃcnica proposta, foram tambÃm desenvolvidas outras modulaÃÃes para fins de compara-ÃÃo, apresentando os padrÃes de chaveamento para cada uma delas, bem como o comporta-mento da corrente atravÃs dos semicondutores em cada perÃodo de chaveamento. Foi tambÃm realizada a anÃlise teÃrica das topologias e suas respectivas etapas de operaÃÃo, caracterÃsticas e levantamento das equaÃÃes que ditam a anÃlise das perdas para as diferentes situaÃÃes de tÃcnicas aplicadas a cada uma das estruturas. O desenvolvimento digital das tÃcnicas mostrou-se correta atravÃs da anÃlise das formas-de-onda colhidas por meio de um circuito digital-analÃgico. AlÃm disso, a comparaÃÃo da aplicaÃÃo dessas modulaÃÃes em inversores a trÃs nÃveis NPC e FC de 6 kW mostrou-se favorÃvel à tÃcnica proposta em termos de eficiÃncia e reduÃÃo da distorÃÃo harmÃnica em ambas as topologias, comprovando sua utilidade em con-versores multinÃveis de alta potÃncia. Por fim, foi apresentado o desenvolvimento da tÃcnica proposta em inversores com mais de trÃs nÃveis, onde se pode comprovar sua eficiente aplica-ÃÃo para tais fins, bem como sua expansibilidade para inversores de n nÃveis. / In order to overcome the challenge of processing electric energy in high power systems with minimal losses and high energy quality, this work presents the implementation and anal-ysis of a modulation technique applicable on both most well-known multilevel inverter struc-tures - neutral point-clamped (NPC), and flying capacitors (FC) - to reduce the stresses across the semiconductors devices, and to improve the total harmonic distortion of the output volt-age. Throughout the work, the necessity to digitalize the proposed technique has been evi-denced due to the high complexity and low reliability inherent to the analogical approach. Thus, the digital controller FPGA has been chosen, as it is easy to program and reconfigure, works at high speed, and has a lot of input and output pins. Additionally, other modulation techniques were also implemented to compare their performance with the proposed one, pre-senting the switching patterns and the behavior of the electrical currents through the semicon-ductors for each modulation. A theoretical analysis was also performed for both topologies and their respective operation principle, characteristics, and equations used on the losses anal-ysis for the different combinations of modulation applied to each structure. Finally, the digital development of the various techniques has proved to be correct by observing the waveforms obtained through the digital/analogical circuit. Besides, the comparison of the modulation techniques on 6 kW NPC and FC three-level prototype inverters proved to be favorable to the proposed technique in terms of efficiency and total harmonic distortion reduction on both topologies, confirming its usefulness on high power multilevel converters. At last, it was pre-sented the application of the proposed modulation technique to inverters with more than three levels, where it was observed its eligibility for n-levels topologies.

Este trabalho apresenta o estudo de um carregador de baterias monofÃsico aplicado a veÃculos elÃtricos. Este carregador à composto por dois estÃgios de processamento de energia e um circuito digital de supervisÃo para controlar a tensÃo sobre o banco de baterias e a corrente de recarga das mesmas. O primeiro estÃgio consiste de um conversor CA-CC bridgeless com caracterÃstica de alto fator de potÃncia, e o segundo estÃgio à representado por um conversor CC-CC fullbridge com isolamento em alta frequÃncia e comutaÃÃo sob tensÃo nula (Zero Voltage Switching â ZVS). Para ambos os conversores, foi realizada uma anÃlise qualitativa e quantitativa, bem como apresentados exemplos de projeto para facilitar o dimensionamento dos componentes. Finalmente, com os componentes escolhidos, foi montado um protÃtipo que permite carregar de uma atà oito baterias de 12 V conectadas em sÃrie. O sistema apresenta como especificaÃÃes: tensÃo de entrada alternada de 220 VÂ15%; tensÃo de saÃda contÃnua de 120 V; corrente de saÃda contÃnua de 20 A; e potÃncia mÃdia de saÃda de 2,4 kW. / This work presents a single-phase battery charger for electric vehicles. This converter is composed by two energy processing stages and a digital circuit to control the voltage across the batteries and their respective charging current. The first stage is a high power factor ACDC bridgeless converter, while the second one consists on a ZVS (Zero Voltage Switching) high frequency isolated DC-DC full-bridge converter. For both converters, the qualitative and quantitative analyses have been performed, as well as design examples have been presented in order to ease the components calculation. Finally, a prototype that allows charging up to eight series-connected 12 V batteries has been built. The system specifications are: AC input voltage of 220 V Â15%; DC output voltage of 120 V; DC output current of 20 A; and average output power of 2.4 kW.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / A geraÃÃo de energia elÃtrica que combina o desenvolvimento humano com menos impactos ambientais e menos poluiÃÃo à um item fundamental no inÃcio deste sÃculo. Assim, a principal motivaÃÃo da caminhada atual à o desenvolvimento de novas topologias de sistemas descentralizados de fornecimento de energia. O objetivo à desenvolver um conversor bidirecional com alto ganho tensÃo, que à projetado para operar em dois modos: boost e buck. A topologia apresentada permite a transferÃncia bidirecional de energia, o que em algumas situaÃÃes, à transferida para o barramento CC, ou para um banco de baterias. O conversor à projetado para um potÃncia de 2 kW. à apresentado o desenvolvimento teÃrico e experimental do projeto para os dois modos de operaÃÃo. A fim de validar a proposta, sÃo apresentados resultados experimentais, para uma potÃncia de 1 kW. Os resultados foram satisfatÃrios e seu rendimento global de 93%. O protÃtipo foi testado em condiÃÃes diferentes que podem ser encontradas no dia-a-dia. / The achievement of energy generation which combines human development with less environment pollution impact is a key item in the premises of this century. Thus the main motivation of the present walk is the development of new topologies for decentralized supply systems. The objective is to develop a bidirectional converter with high voltage gain, which is designed to operate in two modes: step-up (boost) and step down (buck). The presented topology enables to bidirectional energy transfer, which in some situations it is returned to the load DC bus, formed by a back of batteries. The converter is designed for 2 kW linear load power. If is presented theoretical development and experimental designs for the two operation modes. In order to validate the proposal, it is presented experimental results, from 1 kW laboratory prototype are presented as well and 93% overall efficiency. The prototype was tested in different conditions that may be found daily.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O monitoramento e o diagnÃstico de falhas incipientes em transformadores de potÃncia imersos em Ãleo estÃo diretamente relacionados à avaliaÃÃo das condiÃÃes do sistema de isolamento. Neste estudo, estabelece-se o conceito de monitoramento e diagnÃstico, e em seguida tÃcnicas de monitoramento on-line sÃo discutidas. Um sistema de prÃ-diagnÃstico à elaborado baseado na utilizaÃÃo de um dispositivo on-line de monitoramento, Hydran da GE, para classificar a gravidade da situaÃÃo de falha detectada. Uma vez detectada uma situaÃÃo de falha, mÃdulos inteligentes de diagnÃstico de falhas incipientes, via redes neurais, podem ser utilizados para identificaÃÃo da falha interna do equipamento. Para completar a verificaÃÃo da qualidade dielÃtrica do lÃquido isolante, tambÃm à descrito um algoritmo inteligente, baseado em redes neurais, para diagnÃstico do estado do Ãleo atravÃs das grandezas fÃsico-quÃmicas. A relaÃÃo entre os atributos fÃsico-quÃmicos e as grandezas cromatogrÃficas referente ao Ãleo mineral tambÃm foram averiguadas. Foi desenvolvida, entÃo, a estimaÃÃo dos gases dissolvidos atravÃs das caracterÃsticas fÃsico-quÃmicas. Os mÃdulos de monitoramento on-line, diagnÃsticos do estado do Ãleo e de falhas incipientes, alÃm da estimaÃÃo dos gases dissolvidos, perfazem um sistema computacional de auxÃlio à operaÃÃo e manutenÃÃo. O sistema implementado apresenta resultados satisfatÃrios na implantaÃÃo em uma planta de usina termelÃtrica. / The monitoring and diagnosis of incipient fault in power transformers immerses in oil are directly related to the assessment of the isolation system conditions. In this research, it is established the concept of monitoring and diagnosis, after that, on-line monitoring techniques are discussed. A pre-diagnosis system is elaborated based on use of a monitoring on-line device, Hydran GE, to classify the situation gravity of the detected fault. Once detected a fault situation, intelligent modules of incipient fault diagnosis, by neural networks, can be used to identification of internal fault of the equipment. To complete the checking of the dielectric quality of the isolate liquid, it is also described an intelligent algorithm, based on neural networks, to diagnosis of the oil estate through physical-chemical attribute. The relation between physical-chemical attributes and chromatographic ones regarding to mineral oil were also verified. It was developed, then, the dissolved gases esteem through physicalchemical characteristics. The on-line monitoring modules, diagnosis of oil estate and incipient fault, besides dissolved gases esteem, constitute a computation aid system to operation and maintenance. The implemented system presents satisfied results in a thermoelectric power plant.