CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / "Este trabalho apresenta um estudo dos inversores multinÃveis em cascata usando cÃlulas H-bridge na configuraÃÃo assimÃtrica usando transformador de mÃltiplos secundÃrios. Ele demonstra equaÃÃes para o cÃlculo da freqÃÃncia das cÃlulas para o inversor operando com as configuraÃÃes binÃria e ternÃria, bem como o projeto completo do transformador toroidal com nÃcleo laminado. Este trabalho define a melhor freqÃÃncia de operaÃÃo do transformador que possibilita reduÃÃo no tamanho se comparado a operaÃÃo em 60 Hz. Ele tambÃm aborda uma metodologia para o cÃlculo das perdas nas cÃlulas do inversor as quais sÃo Ãteis para o cÃlculo tÃrmico do inversor." / This dissertation proposes a design of a cascaded multilevel inverter using H-bridge cells in asymmetric configuration and a multiple secondary transformer. Equations for determining the frequency operation of each cell with binary and ternary configurations, as well as the complete design of toroidal transformer with laminated core. This work proposes also the optimal operating frequency of the transformer that enables reduction in core size, when compared to 60 Hz operation. It is also discussed a methodology for calculate the losses in the cells of the inverter, which are useful to determine the thermal behavior of the inverter.

Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo conceito para a concepÃÃo de conversores para aplicaÃÃes em energias renovÃveis e carregamento de baterias com um nÃmero reduzido de estÃgios de processamento. SÃo desenvolvidas trÃs topologias diferentes de conversores de alto ganho de tensÃo com um Ãnico estÃgio de processamento e capaz de operar tanto com um banco de baterias como com painÃis fotovoltaicos. A operaÃÃo destes conversores permite que as fontes de entradas (painÃis ou baterias) operem de forma natural, independentemente ou complementarmente, compondo um barramento CC e apresentando a comutaÃÃo suave dos interruptores. Por fim, foram desenvolvidos trÃs protÃtipos para uma potÃncia de 500 W que validam o princÃpio de funcionamento dos sistemas propostos apresentando alto rendimento, alto ganho de tensÃo e boa regulaÃÃo do barramento CC em todos os modos de operaÃÃo. / Taking into account the great technological development on renewable energy systems and their applications on power electronics, this work presents a new concept of converters applied to renewable systems and batteries charging with a reduced number of energy processing stages. This work approaches three different high voltage gain converters topologies with only one processing stage, and with bidirectional capability, with batteries, and with photovoltaic panels. The operation of these converters allow that the inputs (PVpanels or batteries), work independently or simultaneously, in order to compose a single DC bus. Also, proposed topologies present natural soft-switching operation. At last, the three prototypes were developed to work with a nominal power of 500W, validating the operation principle of the proposed system, featuring high efficiency, high voltage gain, and good voltage regulation on the DC bus.

Este trabalho propÃe o estudo de uma nova topologia, com dois estÃgios, de um conversor estÃtico, onde existe um fluxo de potÃncia auxiliar com o objetivo de aumentar o rendimento do sistema. O primeiro estÃgio à um conversor CA-CC com correÃÃo do fator de potÃncia (PFC) e o segundo estÃgio à um conversor CC-CC isolado em alta frequÃncia. Os dois estÃgios do conversor proposto sÃo modelados por equaÃÃes diferenciais e atravÃs desses modelos sÃo desenvolvidas tÃcnicas de controle nÃo linear para o funcionamento dos conversores em malha fechada. A correÃÃo do fator de potÃncia do primeiro estÃgio à realizada pela tÃcnica de controle PBC (passivity-based control), enquanto que a tensÃo de saÃda do primeiro estÃgio à realizada pelo controle I&I (immersion and invariance). O segundo estÃgio necessita controlar somente a tensÃo de saÃda atravÃs do controle backstepping, por se tratar de um conversor CC-CC. / This work proposes a study of a new static converter topology with two stages, where the first is an AC-DC converter with PFC and the second is a DC-DC converter isolated in high-frequency. In addition, the static converter has a secondary power flow to achieve a better efficiency from the system. The two converterâs stages are modeled as differential equations, and through those models nonlinear control techniques are developed for close loop operation. The power-factor correction in the first stage is performed by the PBC (passivity-based control) control technique, while the output voltage from the first stage is performed by the I&I (immersion and invariance) control. As the second stage is a DC-DC converter, it only needs to control the output voltage, which is achieved through the backstepping control.

nÃo hà / Esta tese de doutorado apresenta duas novas topologias de conversores CA-CC com uso de neutro comum: conversor de cinco nÃveis intercalado e conversor de cinco nÃveis tipo T. AlÃm disso, uma nova forma de implementaÃÃo da tÃcnica de controle indireto da corrente (Indirect Current Control - ICC) à apresentada. Assim, para comprovaÃÃo da praticidade dos conversores apresentados, toma-se como base o conversor CA-CC de trÃs nÃveis convencional e entÃo à realizada uma anÃlise comparativa de desempenho entre esses trÃs conversores CA-CC monofÃsicos para aplicaÃÃo em no-breaks. Os conversores analisados possuem como caracterÃstica comum a correÃÃo do fator de potÃncia, o controle digital realizado por FPGA e a conexÃo da fonte de alimentaÃÃo com o estÃgio de saÃda, facilitando o uso de inversor e by-pass para no-breaks. O primeiro conversor analisado à o conversor de trÃs nÃveis convencional que apresenta como principal caracterÃstica o reduzido nÃmero de componentes. O segundo conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis intercalado que apresenta como principal caracterÃstica as reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo. Finalmente, o terceiro conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis tipo T que apresenta como principais caracterÃsticas: reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo; os elementos magnÃticos operam com o dobro da frequÃncia de comutaÃÃo reduzindo desta maneira o peso e o volume. A anÃlise teÃrica dos conversores monofÃsicos, os conceitos bÃsicos sobre o controle digital e a tÃcnica de modulaÃÃo, a metodologia de projeto, simulaÃÃo e resultados experimentais dos protÃtipos construÃdos sÃo apresentados para validar o princÃpio de funcionamento dos conversores propostos. / This thesis presents two novel topologies of AC-DC converters with common neutral: five-level interleaved converter and five-level T type converter. Besides, a novel type of implementation of Indirect Current Control (ICC) is also presented. Thus, a comparative analysis of performance between three single phase AC-DC converters for UPS applications is realized. The analyzed converters have as common characteristics: power factor correction, digital control using FPGA and connection between input power supply and converter output enabling the use of UPS inverter and by-pass. The first one analyzed converter is the conventional three level converter which presents as main feature reduced numbers of power semiconductors and components. The second one analyzed converter is the five level interleaving converter which presents as main feature reduced conduction and commutation losses. Finally, the last one analyzed converter is the T type five level converter which presents as main features: reduced conduction and commutation losses and magnetic components operating with the double of switching frequency reducing weight and volume. Theoretical analysis of the single phase converters, basics concepts of digital control and modulation technique, design procedure, simulation and experimental results of lab models are presented in order to validate the principle of operation of the proposed converters.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O Motor de RelutÃncia VariÃvel (MRV) vem cada vez mais chamando a atenÃÃo da indÃstria e da comunidade acadÃmica. Isso se deve ao crescente desenvolvimento da eletrÃnica de potÃncia e na Ãrea de microprocessadores nos Ãltimos anos, o que permitiu o avanÃo de outros sistemas de acionamentos tais como com MRV. A competitividade do MRV se justifica por seu baixo custo de produÃÃo e manutenÃÃo, uma elevada densidade de potÃncia, robustez e resistÃncia a faltas. O presente trabalho propÃe um esquema de controle robusto baseado em um Controlador Preditivo Generalizado (GPC) pertencente a famÃlia de Controladores Preditivos Baseados em Modelo (MPC) aplicados a malha de corrente e velocidade de um sistema de acionamento com MRV. O controlador proposto, assim como controladores tradicionais aplicados neste tipo de sistema tais como o controlador por Histerese e o controlador PID sÃo tambÃm aplicados com o objetivo de proporcionar meios de comparaÃÃo dos resultados experimentais obtidos. A estrutura do controlador à baseada no projeto de um filtro de modo a permitir uma resposta rÃpida, rejeiÃÃo a distÃrbios, atenuaÃÃo de ruÃdos e robustez com um baixo custo computacional. O controlador proposto foi implementado e os resultados comparados com controladores tradicionais e analisados quantitativamente por meio de Ãndices de desempenho. Para execuÃÃo das rotinas de controle foi utilizado um DSP das Texas Instruments (TMS320F28335), sendo suas caracterÃsticas principais apontadas. O algoritmo do software de controle à esquematizado. O trabalho fez uso da bancada de pesquisa em MRV do laboratÃrio do Grupo de Pesquisa em AutomaÃÃo e RobÃtica (GPAR) da Universidade Federal do Cearà (UFC).

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Quando um conversor opera com uma larga diferenÃa entre os nÃveis de tensÃo de entrada e de saÃda, normalmente à possÃvel identificar uma reduÃÃo significante no seu desempenho. A razÃo disto à o aumento da quantidade de energia processada, que primeiramente precisa ser armazenada em um elemento passivo (indutor), antes de ser entregue à carga. à possÃvel dizer que quÃo maior for a quantidade dessa energia âindiretaâ, menor serà a eficiÃncia do sistema. Tal situaÃÃo à especialmente crÃtica para inversores e retificadores com correÃÃo de fator de potÃncia (PFC), visto que a razÃo cÃclica dos interruptores abrange praticamente todos os possÃveis valores. Em casos em que a diferenÃa entre o valor de pico da tensÃo CA e o valor mÃdio da tensÃo CC à grande, o Ãndice de modulaÃÃo à desviado consideravelmente de 1 e, consequentemente, maiores perdas sÃo esperadas. Para lidar com tal situaÃÃo, à proposto um retificador com caracterÃstica abaixadora e elevadora utilizando uma funÃÃo chamada de bypass. Esta funÃÃo permite que o retificador escolha entre os dois barramentos o que melhor se adapta ao nÃvel de saÃda desejado em funÃÃo do ponto de operaÃÃo da tensÃo senoidal de entrada, maximizando a eficiÃncia. Algumas das vantagens esperadas com a utilizaÃÃo da funÃÃo bypass sÃo: reduÃÃo das perdas totais por meio da operaÃÃo parcial com estÃgio Ãnico; maior nÃmero de nÃveis de tensÃo, reduzindo a corrente de modo comum e o volume do filtro de entrada, alÃm de resultar em menores esforÃos de tensÃo sobre os semicondutores; e, finalmente, reduÃÃo de perdas adicionais e no tamanho do sistema, visto que o conversor Buck de saÃda à projetado para apenas uma fraÃÃo da potÃncia total. Em adiÃÃo, sÃo apresentadas possÃveis configuraÃÃes de conversores de potÃncia para o carregamento de baterias de veÃculos elÃtricos. Topologias de retificadores trifÃsicos com PFC com corrente de entrada senoidal e tensÃo de saÃda controlada sÃo analisadas e propostas, e suas funcionalidades e caracterÃsticas bÃsicas descritas brevemente. FÃrmulas analÃticas para o cÃlculo dos esforÃos de tensÃo e corrente sobre os semicondutores de potÃncia sÃo fornecidas. A fim de avaliar comparativamente o desempenho das topologias selecionadas, fatores adimensionais de referÃncia sÃo definidos com base nos esforÃos elÃtricos sobre os semicondutores e no volume dos indutores. As caracterÃsticas do sistema proposto, incluindo princÃpio de operaÃÃo, estratÃgia de modulaÃÃo, equaÃÃes de dimensionamento e cÃlculos de perdas e eficiÃncia, sÃo descritas em detalhes. Finalmente, a viabilidade do conceito de bypass à demonstrada por meio de resultados experimentais obtidos a partir de um protÃtipo de 22 kW. / When operating with large differences between input and output voltage levels, it is normally possible to identify a significant reduction on the performance of practically all topologies in regard of conversion efficiency. Reason for this is the increasing amount of processed energy that needs to be firstly stored in a passive element (inductor) before reaching the load. It is therefore possible to say that the higher the amount of such âindirectâ energy is; the lower will be the converter efficiency. Such situation is especially critical when considering the operation of inverters or controlled rectifiers with power factor correction (PFC) because the converter sweeps practically all the possible values of duty cycle. In the case the difference between peak AC value and DC value is large; the modulation index will strongly deviate from 1. Consequently, even higher amount of losses are expected. In order to deal with the above referred drawbacks, it is proposed a 5-level three-phase PFC rectifier with an innovative approach, named bypass concept. This function allows the converter to switch between one of the available DC-links that best matches the required output levels depending on the operating point of the sinus wave, thus maximizing the efficiency. Furthermore, the referred bypass function enables direct access to the required lower voltage level by the load, reducing significantly the amount of losses. The 5-level operation allows the voltage steps to be lower than those found in three and two-level topologies, from where lower harmonic contents, reduction of common mode current and EMI are observed. Finally, the output DC-DC converters are designed for only a fraction of the nominal power, having a rather reduced impact on additional losses and also on the converter size. In addition, possible power electronics configurations for charging of EVs are presented. Suitable three-phase PFC rectifier topologies with sinusoidal input currents and controlled output voltage are analyzed and proposed, and their functionality and basic characteristics briefly described. Analytical formulas for calculating the current stresses on the power semiconductors are provided, and in order to evaluate comparatively the performance of selected topologies, dimensionless benchmark factors are derived concerning the semiconductor stresses and the volume of the main inductive components. The characteristics of the proposed system, including the principle of operation, modulation strategy, dimensioning equations and calculated losses and efficiency, are described in detail. Finally, the feasibility of the bypass concept is demonstrated by means of experimental results obtained from a 22 kW hardware prototype.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / O estudo para o desenvolvimento de uma fonte ininterrupta de energia com possibilidade de uso em sistema fotovoltaico, tem como motivaÃÃo que a larga escala da produÃÃo desse tipo de equipamento possa reduzir o custo dos conversores de eletrÃnica de potÃncia associados a uma instalaÃÃo fotovoltaica. O projeto proporem a uniÃo de topologias de conversores, resultando em uma UPS do tipo on-line com tensÃo de entrada e de saÃda de 220 Volts 60 Hz, potÃncia total de 715VA, rendimento de 88%, isolada em alta freqÃÃncia e com correÃÃo do fator de potÃncia na entrada. Sendo composta por um retificador na entrada com topologia de um conversor em ponte completa alimentado em corrente, esse conversor à responsÃvel por prover a correÃÃo do fator de potÃncia na entrada e da isolaÃÃo galvÃnica em alta freqÃÃncia. Um inversor em ponte completa com filtro LC e modulaÃÃo PWM unipolar, que à capaz de entregar uma tensÃo senoidal para a carga e um conversor boost de alto ganho que cumpre o papel de elevar a tensÃo de 24 Volts do banco de baterias para a tensÃo de 400 Volts do barramento de entrada do inversor. Cada conversor tem seu estudo teÃrico desenvolvido e ao final apÃs as especificaÃÃes e dimensionamentos sÃo mostrados os resultados experimentais do protÃtipo do projeto. Quando o sistema for aproveitado em uma instalaÃÃo fotovoltaica somente o inversor e o conversor boost de alto ganho sÃo utilizados. / The study of the development of initerruptible power supply to be used in a photovoltaic system has as motivation that the wide UPS production scale can reduce the cost of power electronics converters associated with a photovoltaic system. The project proposes a topology of an on-line UPS, with 220 Volts, 60 Hz input/output voltage, 715 VA power, 88% efficiency, High frequency isolation and Power factor correction. The Project consists on a rectifier, it is responsible for providing the input power factor correction and the high frequency isolation. An inverter, it supply the load with a output sinusoidal voltage and a high gain boost converter that increase the voltage from the battery pack up to the inverter. When the project is used in a photovoltaic system, it is only used the inverter and the high gain boost converter.