CAPES / Este trabalho apresenta o estudo, projeto e implementação digital usando DSP de um Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAPP) trifásico com potência de 4,5kVA, sendo este implementado utilizando três topologias de inversores monofásicos em ponte completa compartilhando o mesmo barramento de tensão CC. O FAPP é utilizado em sistemas trifásicos a quatro-fios para supressão de harmônicos de corrente, compensação de reativos e compensação de desbalanços das correntes de carga. Dentre as características mais relevantes desta topolgia de FAPP, pode-se citar: possibilidade de controle de corrente independente entre as fases; tensão reduzida no barramento CC; isolação galvânica entre o FAPP e a rede elétrica; e modularidade. Os algoritmos adotados para obtenção das correntes de referência de compensação são fundamentados no método de controle baseado no sistema de eixos de referência síncrona (SRF). Estes podem ser empregados em sistemas monofásicos bastando, para isso, a criação de um sistema trifásico fictício. Desse modo, em um sistema trifásico a quatro-fios, cada uma das correntes de fase pode ser controlada de forma independente. Duas estratégias distintas de operação do FAPP são implementadas. Na primeira delas, chamada de Controle de Corrente Independente por Fase (CCIF), o FAPP atua na supressão de correntes harmônicas da carga e compensação de potência reativa. Neste caso, as correntes da rede serão senoidais, no entanto desequilibradas. Na segunda estratégia, além de atuar na supressão de harmônicas da carga e compensação de potência reativa, o FAPP também atua na Compensação dos Desequilíbrios das Correntes de Carga (CDCC). Assim, as correntes da rede, além de senoidais, serão equilibradas. Análises matemáticas são realizadas de forma a obter o modelo matemático que representa o sistema físico do FAPP. Além disso, é apresentada uma metodologia de projeto para a obtenção dos ganhos dos controladores das malhas de corrente e de tensão do barramento CC. Resultados de simulação e experimentais são apresentados de forma a validar o desenvolvimento teórico realizado e avaliar o desempenho do FAPP. / This work deals with the study, design and digital implementation by means of digital signal processor (DSP) of a 4.5kVA three-phase shunt active power filter (SAPF), which is implemented by using three single-phase full-bridge converters sharing the same dc-bus voltage. The SAPF is applied to three-phase four-wire systems performing harmonic current suppression, reactive power compensation and load unbalance compensation. The main characteristics of the SAPF topology can be related: possibility of independent current control; low DC-link voltage; galvanic isolation between the SAPF and the grid utility; and possibility of modular implementation. The algorithms adopted for obtaining the current references are based on the synchronous reference frame (SRF) control method. They can be employed in single-phase systems by creating a fictitious three-phase system. Thereby, in a three-phase four-wire system, it is possible the controlling of each phase current independently. Two different operation strategies of the SAPF are implemented. In the first one, which is called Independent Phase-Current Control (IPCC), the SAPF performs harmonic current suppression and reactive power compensation. In this case, the source current will become sinusoidal although unbalanced. In the second strategy, besides acting in the harmonic current suppression and reactive power compensation, the SAPF performs Load Unbalance Compensation (LUnC). In this case, the source currents will become sinusoidal and balanced. Mathematical analyses are carried out in order to obtain the mathematical model which represents the physical system of the SAPF. Additionally, a design methodology is presented, which is used to obtain the controller gains of both current and dc-bus voltage loops. Simulation and experimental results will be presented in order to validate the presented theoretical development and evaluate the performance of the SAPF.

CAPES / Este trabalho apresenta o estudo, projeto e implementação digital usando DSP de um Filtro Ativo de Potência Paralelo (FAPP) trifásico com potência de 4,5kVA, sendo este implementado utilizando três topologias de inversores monofásicos em ponte completa compartilhando o mesmo barramento de tensão CC. O FAPP é utilizado em sistemas trifásicos a quatro-fios para supressão de harmônicos de corrente, compensação de reativos e compensação de desbalanços das correntes de carga. Dentre as características mais relevantes desta topolgia de FAPP, pode-se citar: possibilidade de controle de corrente independente entre as fases; tensão reduzida no barramento CC; isolação galvânica entre o FAPP e a rede elétrica; e modularidade. Os algoritmos adotados para obtenção das correntes de referência de compensação são fundamentados no método de controle baseado no sistema de eixos de referência síncrona (SRF). Estes podem ser empregados em sistemas monofásicos bastando, para isso, a criação de um sistema trifásico fictício. Desse modo, em um sistema trifásico a quatro-fios, cada uma das correntes de fase pode ser controlada de forma independente. Duas estratégias distintas de operação do FAPP são implementadas. Na primeira delas, chamada de Controle de Corrente Independente por Fase (CCIF), o FAPP atua na supressão de correntes harmônicas da carga e compensação de potência reativa. Neste caso, as correntes da rede serão senoidais, no entanto desequilibradas. Na segunda estratégia, além de atuar na supressão de harmônicas da carga e compensação de potência reativa, o FAPP também atua na Compensação dos Desequilíbrios das Correntes de Carga (CDCC). Assim, as correntes da rede, além de senoidais, serão equilibradas. Análises matemáticas são realizadas de forma a obter o modelo matemático que representa o sistema físico do FAPP. Além disso, é apresentada uma metodologia de projeto para a obtenção dos ganhos dos controladores das malhas de corrente e de tensão do barramento CC. Resultados de simulação e experimentais são apresentados de forma a validar o desenvolvimento teórico realizado e avaliar o desempenho do FAPP. / This work deals with the study, design and digital implementation by means of digital signal processor (DSP) of a 4.5kVA three-phase shunt active power filter (SAPF), which is implemented by using three single-phase full-bridge converters sharing the same dc-bus voltage. The SAPF is applied to three-phase four-wire systems performing harmonic current suppression, reactive power compensation and load unbalance compensation. The main characteristics of the SAPF topology can be related: possibility of independent current control; low DC-link voltage; galvanic isolation between the SAPF and the grid utility; and possibility of modular implementation. The algorithms adopted for obtaining the current references are based on the synchronous reference frame (SRF) control method. They can be employed in single-phase systems by creating a fictitious three-phase system. Thereby, in a three-phase four-wire system, it is possible the controlling of each phase current independently. Two different operation strategies of the SAPF are implemented. In the first one, which is called Independent Phase-Current Control (IPCC), the SAPF performs harmonic current suppression and reactive power compensation. In this case, the source current will become sinusoidal although unbalanced. In the second strategy, besides acting in the harmonic current suppression and reactive power compensation, the SAPF performs Load Unbalance Compensation (LUnC). In this case, the source currents will become sinusoidal and balanced. Mathematical analyses are carried out in order to obtain the mathematical model which represents the physical system of the SAPF. Additionally, a design methodology is presented, which is used to obtain the controller gains of both current and dc-bus voltage loops. Simulation and experimental results will be presented in order to validate the presented theoretical development and evaluate the performance of the SAPF.

Ingeniero Civil Electricista / La penetración de las fuentes de energía renovable, que generalmente se caracterizan por operar de manera intermitente, con velocidad y frecuencia variable, hace necesario el uso de conversores para conectar estas fuentes a la red eléctrica, que opera con tensiones y frecuencias constantes. La tecnología de conversores no ha dejado de evolucionar, nuevas topologías de conversores están ingresando a la industria, el objetivo de esta memoria es presentar las topologías multiniveles y profundizar en la topología del conversor de tres niveles de neutro enclavado por diodos (NPC). Las ventajas principales de estos dispositivos respecto a los conversores convencionales de dos niveles son: Mejor calidad de corriente que se refleja en menor THD y la posibilidad de reducir la frecuencia de switching y con ello aumentar la eficiencia en la conversión de energía. Estos inversores tienen aplicaciones en muchos ámbitos de la industria eléctrica, como en los sistemas de conversión eólicos, sistemas fotovoltaicos, mejora de la calidad del producto energía eléctrica, motores de velocidad variables, entre otras. El objetivo específico de este trabajo es operar un inversor de tres piernas usando la modulación SVM de vectores virtuales, a baja frecuencia de switching. El desarrollo del trabajo llevó a que lograr esto era bastante complejo, debido a desbalances inesperados de la tensión de los condensadores del DC-LINK lo que requirió modificar la modulación de vectores virtuales e implementar una estrategia de lazo cerrado para estabilizar la tensión de los condensadores, pero conservando el núcleo de la modulación de vectores virtuales. La lógica utilizada fue no suponer a priori que la modulación de vectores virtuales por si sola logra estabilizar la tensión, sino buscar un espacio de trabajo donde se pudiera sintetizar correctamente la tensión de salida y además lograr estabilizar la tensión de los condensadores del DC-LINK, para ello fue necesario definir las funciones de desviación de tensión y encontrar de manera veloz las soluciones de estas ecuaciones, utilizando técnicas de optimización lineal. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios ya que se pudo sintetizar correctamente la tensión y además estabilizar la tensión de los condensadores operando a baja frecuencia de switching. El costo de esto fue que la complejidad computacional aumento ostensiblemente, pero un análisis matemático e informático más profundo podría simplificar la solución conservando sus cualidades.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica. Ingeniero Civil Eléctrico / Actualmente existe un gran interés y compromiso en aumentar la generación eléctrica proveniente de fuentes ERNC (Energías Renovables No Convencionales) a nivel mundial dado el actual escenario energético. Para maximizar la transferencia energética y asegurar una operación óptima desde un punto de vista técnico y económico se han propuesto distintas topologías de inversores junto con sus estrategias de control. Por otro lado, el control predictivo se perfila como una estrategia prometedora para controlar algunas topologías de inversores de potencia, en particular el control FS-MPC (Finite Set - Model Predictive Control) se ha implementado en un gran número de configuraciones debido a sus ventajas como: rápida respuesta transitoria; fácil inclusión de no linealidades y restricciones en el controlador; y ausencia de modulador. Sin embargo las tensiones sintetizadas por esta estrategia poseen una frecuencia de conmutación variable lo que complica el diseño de filtros de conexión a la red y aumenta la distorsión armónica en las señales inyectadas. En esta tesis se implementa de forma experimental un control predictivo modulado (M2PC, Modulated Model Predictive Control) en un inversor NPC (Neutral Point Clamped) trifásico de 3 niveles en configuración front-end, esta estrategia genera una tensión con frecuencia de conmutación fija y además mantiene las ventajas del control FS-MPC ya mencionadas. El controlador se programa en una plataforma dSPACE dS1103, para esto fue necesario diseñar y construir una tarjeta de desarrollo para una FPGA (Field-Programmable Gate Array) Spartan 3 y una tarjeta transmisora de fibra óptica, la función de la primera tarjeta es gestionar el envío de vectores al conversor NPC y habilitar un sistema de protección que apague el inversor en caso de falla, mientras que la segunda tarjeta se utiliza para enviar los pulsos de disparo a los IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) del inversor. En el desarrollo de esta tesis se proponen 2 estrategias de control M2PC, en la primera se utiliza una función multiobjetivo para regular la corriente inyectada a la red y el balance de los condensadores del DC-Link, mientras que en la segunda el control M2PC sólo se encarga del error de corriente y en una etapa posterior se regula las tensiones del DC-Link. Inicialmente la estrategia se simula mediante el software Plecs y posteriormente se implementa en el sistema experimental. Se concluye que ambas estrategias presentan un buen desempeño en régimen permanente y transitorio, en ambos casos el THD (Total Harmonic Distortion) es menor al 2% y los condensadores se encuentran balanceados.

Cargas e fontes elétricas de pequeno porte, integradas através de alimentadores de distribuição de baixa tensão, agrupadas e gerenciadas de tal maneira que se comportem como uma única entidade controlável dentro de um sistema de potência e com a capacidade de operar de forma paralela ou isolada da rede elétrica convencional, constituem-se em um novo tipo de sistema elétrico conhecido como Minirrede. Esta tese aborda o problema relacionado à estabilidade dinâmica de Minirredes com controle autônomo de frequência e tensão, quando operadas de forma isolada da rede convencional. As minirredes analisadas são compostas por combinações de fontes elétricas convencionais e fontes alternativas que não geram naturalmente em 50 ou 60 Hz, sendo necessária a utilização de inversores para sua conexão com a rede elétrica. A análise se realiza no espaço de estados com metodologias baseadas nas teorias que envolvem os autovalores e autovetores da matriz de estado. Para isto, modelos no espaço de estados são desenvolvidos para cada componente da Minirrede, mantendo um compromisso entre precisão e complexidade. O caráter analítico da análise permite investigar a relação entre a estabilidade da Minirrede e os parâmetros do sistema, tais como ganhos dos controladores, dimensionamento da rede, configurações de geração, entre outros. Análises complementares de sensibilidade dos autovalores aos parâmetros elétricos do sistema permitem inferir o comportamento dinâmico de diversas configurações de Minirredes, obtendo-se importantes conclusões à respeito. Os resultados analíticos são verificados através de simulação computacional no ambiente Simulink/Matlab®. / Electrical loads and small power sources, integrated through low voltage distribution feeders, managed in such a way to behave as one controllable entity within in a power system, and with the ability to operate connected or non-connected to the conventional power system is a new kind of electrical system known as Microgrid. This thesis addresses the problem related to dynamic stability of island Microgrids with autonomous control of frequency and voltage. The Microgrids analyzed are composed of combinations of conventional and alternative power sources that do not generate electricity naturally in 50 or 60 Hz, therefore inverters are needed to provide AC network interface. The analysis is performed in the state space with methodologies based on theories involving the eigenvalues and eigenvectors of the state matrix. For this, state-space models are developed for each component of Microgrid, maintaining a compromise between accuracy and complexity. The analytical nature of this study allows investigating the relationship between the stability of Microgrid and parameters of the system, such as controller gains, network design, generation architectures, among others. Complementary sensitivity analyzes of eigenvalues to the electrical parameters of the system allow us to infer the dynamic behavior of various configurations of Microgrids, obtaining important conclusions on the matter. The analytical results are verified by computer simulation using the platform Simulink/Matlab®.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / Microgrids are one of the key technologies to facilitate the integration of large amounts of renewable generation technologies to the main grid. The main power supplies inside the microgrid are power electronic devices which are responsible for energy conversion and provide the necessary control. Dynamical interactions between the microgrid and newly connected power electronic-based sources can lead to small-signal instability. Hence, several stability analysis approaches have been developed over the recent years, particularly methods to ensure stability by first dividing the system into source and load subsystems and then applying the Nyquist criterion to the respective source/load impedances ratio. Nevertheless, this aspect has been rarely studied considering droop-controlled inverters, as the active power droop control also impacts the output frequency of micro-sources and has a deep impact in the small-signal impedances of the inverters. The main objective of this thesis is to characterize the small-signal impedance of droop-controlled inverters typically used in microgrids through simplified models, in order to achieve a comprehensive understanding of their behavior. This work postulates as hypothesis that the general behavior of the small-signal impedance of droop-controlled inverters when operation conditions change can be characterized through the analysis of the transfer functions of linearized multi-input multi-output reduced-order inverter models, by contrasting them with the resulting small-signal impedances of more complex models. The obtained results show that the small-signal impedance of these inverters were effectively characterized, specially by one of the proposed models. Two indices were developed in order to quantify the graphically obtained results, which confirmed the performance of the developed models, specially with respect to DD, DQ and QD-Channels.The indices confirmed the identification of the operating variables that impact the small-signal impedance the most when perturbed. The results also indicate that the low-frequency range of the small-signal impedance is the most affected range when changing the operating conditions, as the high-frequency range tends to converge to the large-signal impedance. This work could lead to improved small-signal stability studies, in which one of the biggest problems nowadays is the dependence of the small-signal impedance on the changing operating point. / Conicyt Proyecto PFCHA/MagísterNacional/2017- 22172061

Los amplificadores conmutados han tenido un excelente aaceptación en los últimos años, debido fundamentalmente a la eficiencia energética con la que trabajan. Sin embargo existen aún aplicaciones en las cuales no han logrado el desempeño equivalente al de un amplificador lineal en lo que respecta a distorsión armónica de la señal. Este trabajo trata acerca del desarrollo de un circuito integrado específico para la implementación práctica de un método de compensación aplicable en amplificadores conmutados de potencia, con objeto de disminuir las alinealidades que en ellos se producen durante el proceso de reconstrucción de las señales a repro-ducir, ya sea como parte de un amplificador de audio conmu-tado, un dispositivo de control de velocidad de un motor de inducción, o una aplicación de un sistema de energía inin-terrumpida (UPS). En todos estos casos, el resultado obtenido producto de la aplicación directa del esquema de modulación ideal en la etapa inversora, puede arrojar un resultado insa-tisfactorio, ya sea por no poder calificar como de alta fideli-dad en e caso del amplificador de audio, o bien generar una circulación de corrientes armónicas no deseadas por la carga en los casos restantes. De allí surge la necesidad de contar conun esquema de compensación para aquellas situaciones donde se requiera una alta calidad de reproducción de seña-les. En lo que respecta a la organización del trabajo, se realiza en principio una introducción básica a los amplificado-res conmutados, su principio de funcionamiento y esquemas de modulación típicos, como así también la identificación de los puntos en los cuales se generan las alinealidades que conllevan a la distorsión de la señal reproducida. Luego se abordan diferentes metodologías propuestas por diversos autores con objeto de mejorar esta problemática, haciendo hincapié en aquella técnica adoptada para su implementación en el presente trabajo. Seguidamente se describe la implemen-tación en sí, realizando un profundo análisis en torno al diseño del circuito integrado a medida, que fue construído específica-mente para esta aplicación particular; y por último se exponen los resultados experimentales obtenidos, como así también las conclusiones surgidas a lo largo del desarrollo de esta tarea y futuras mejoras a incorporar. / Switch-mode power amplifiers have been widely used in last years, mainly due to the high efficiency they achieve. Howoever, there are still several applications in which they have not yet reached the equivalent perfomance to a linear amplifier, especially regarding to the harmonic distortion in the output signal. This thesis work is about the development of a custom integrated circuit (IC) to be applied in a practical imp0leentation of a compensatiion method to reduce the harmonic distortion in switch-mode power amplifiers. Distortion of the output signal in this class of amplifiers appears because of nonlinearities in the inverter stage, such as dead time insertion and volta-ge drops in free-wheel diodes and semiconductor switches. Typical applications are class-D audio ampli-fiers, varia-ble frequency drives (VFD), and uninterrupted power supplies (UPS). Commanding the inverter stage according to the classical pulse width modulation (PWM) scheme, may lead to unsatisfactory results, such as low fidelity performance in the audio amplifier example, or harmonic currents presene in the load for the remaining cases. The need for a compensation method is hence mandatory for such applications requering a very high quality ouput signal. Regarding the organi-zation of this book, a basic explana-tion about switch-mode amplifiers firstly introduced. Working principles, modulation schemes, nonlinearities and harmonic distortion sources are also presented in this chapter. Then, diffe-rent compensation methods are deeply analyzed, including a method locally developed that was the one implemented into the custom IC. The next chapter shows the IC design from schematics to layout, and finally the practical implemen-tation es described, as well as measurements and results of laboratory tests. Future further improvements are also presented, together with an annex section where some particular tpics are explained, and source codes are listed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta a proposta e análise de um Inversor Ponte Completa Bidirecional (IPCB) aplicado a microrredes CC (corrente contínua) no que tange ao seu desempenho na injeção de potência ativa na rede em corrente alternada (CA) e à regulação da tensão no barramento CC diante das inerentes intermitências observadas em geradores fotovoltaicos, as quais não devem provocar distúrbios nas cargas conectadas à Microrrede CC. A estratégia de controle digital é implementada a partir de um DSP (Digital Signal Processor) contando com um controlador do tipo Proporcional Ressonante (P+Res) aliado a um controle corretor de componentes harmônicas de ordem 3, 5 e 7 da corrente imposta na rede elétrica para os dois modos de operação do sistema, o que possibilita a adequação da qualidade de energia às normas internacionais IEEE 1547 (injeção) e IEC 61.000-3-2 (retificação). Por fim, faz-se a análise qualitativa e quantitativa do sistema proposto contendo ainda as especificações de projeto além dos resultados de simulação e experimentais obtidos com a construção de um protótipo de 2,2 kWp. / This work presents the proposal and analysis of a Bidirectional Full-Bridge Inverter (BFBI) applied to DC (direct current) microgrids in terms to its performance in active power injection into the AC (alternating current) grid and DC bus voltage regulation front of the inherent intermittences observed in photovoltaic generators, which should not cause disturbances in the dc loads. The digital control strategy is implemented from a DSP (Digital Signal Processor) with Proportional Resonant (P + Res) controller combined with 3th, 5th and 7th Harmonic Correction in the current imposed on the grid for the two modes of operation, which enables the adjustment in power quality to IEEE 1547 (injection) and IEC 61.000-3-2 (rectification) international standards. Finally, this work present the qualitative and quantitative analysis of the proposed system, still containing the design specifications, simulation and experimental results obtained with the construction of a 2.2 kWp prototype. / Dissertação (Mestrado)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis aims to present a methodology for comparing the performance electrical, mechanical and hydraulic under the focus of the energy efficiency of pumping systems controlled by valves of strangulation or by the frequency converters. The trigger is held by engines of the line standard or high efficiency. Therefore, this paper presents the simulation in domain of time from a computer platform called ATP (Alternative Transient Program). Complementing the aspects earlier, the validation of proposal modeling, is performed by comparing the simulated values and those from the tests. Finally, it should be emphasized that the laboratory experiments were performed in the laboratory for energy efficiency of the Faculty of Electrical Engineering of the Federal University of Uberlândia. / Esta dissertação tem por objetivo apresentar uma metodologia de comparação do desempenho elétrico, mecânico e hidráulico, sob o enfoque da eficiência energética, de sistemas de bombeamento controlados por válvulas de estrangulamento ou por inversores de freqüência. O acionamento é realizado pelos motores da linha padrão ou de alto rendimento. Neste sentido, este trabalho apresenta a simulação no domínio do tempo a partir de uma plataforma computacional denominada ATP (Alternative Transient Program). Complementando os aspectos anteriores, a validação da modelagem proposta, é realizada através da comparação entre os valores simulados e aqueles oriundos dos ensaios experimentais. Finalmente, deve-se destacar que os experimentos laboratoriais foram executados no laboratório de eficiência energética da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia. / Mestre em Ciências

Actualmente se utiliza diversas técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) para el control de diversos dispositivos de potencia como variadores de velocidad, inversores, UPS, etc. Este trabajo de Tesis desarrolla la modulación de ancho de pulso de Vector Espacial (SVPWM) para el diseño y simulación de un Inversor Trifásico para obtener una señal de salida senoidal con una frecuencia y voltaje variable. Primero se expone la problemática a la cual se enfrenta los inversores trifásicos y la modulación SVPWM. Mencionando la tendencia y los recursos tecnológicos para el desarrollo de estos dispositivos de potencia en nuestro país, así como las diversas aplicaciones de los mismos. Después se describe todos los conceptos generales e importantes para poder abordar el tema de la modulación vectorial como el de los inversores. Se explica los principios para desarrollar un control vectorial de un inversor trifásico a partir de la modulación SVPWM, siendo su principal característica la de sustituir todo el sistema trifásico por un solo vector cuya velocidad de giro con el paso del tiempo refleja la frecuencia. Luego, se plantea las hipótesis y objetivos a los cuales se quiere llegar con este trabajo de Tesis; seguido del desarrollo de los diversos diagramas que representan el sistema a diseñar y la respectiva selección de componentes a utilizar. Por último, los conceptos establecidos y los diagramas planteados, se complementan con la muestra y descripción de los diversos diseños de la estructura de un inversor trifásico, y con las simulaciones de la técnica de control vectorial (SVPWM) para poder lograr una onda de salida muy similar a una senoidal con una baja distorsión armónica y unas mínimas pérdidas por conmutación. / Tesis