CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

CAPES / O desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portas é proposto neste trabalho. Através da combinação de um conversor bidirecional Ćuk e um transformador de alta frequência com um circuito retificador em ponte completa, duas portas de energia não isoladas e uma porta de energia isolada são obtidas. Um circuito LC série ressonante é empregado, resultando em comutação suave nos interruptores de potência. O conversor bidirecional Ćuk, controlado por modulação de largura de pulso (PWM) e o circuito tanque ressonante, controlado por modulação de frequência (PFM) acima da frequência de ressonância, permitem duas variáveis de controle para a topologia. Além disso, os interruptores de potência são compartilhados nas etapas de operação, reduzindo o número de componentes ativos. Regulação de suas portas é realizada para aplicações com elementos armazenadores de energia. São apresentados os modos de operação, a análise matemática e a estratégia de controle do conversor proposto. Os resultados experimentais são expostos para discutir a viabilidade da estrutura. / The development of a DC-DC three-port converter is proposed in this work. Through the combination of a bidirectional Ćuk converter and a high frequency transformer with a full-bridge rectifier circuit, two non-isolated energy ports and one isolated energy port are achieved. A LC series resonant circuit is employed, resulting in soft-switching in the power switches. The bidirectional Ćuk converter, controlled by pulse width modulation (PWM), and the tank resonant circuit, controlled by pulse frequency modulation (PFM) above the resonance frequency, allow two control variables for the topology. Furthermore, the power switches are shared for the operation of both circuits, reducing the number of active components. Port regulations are performed for applications with energy storage elements. Operation modes, math analysis and control strategy of the proposed converter are presented. Experimental results are exposed to discuss the feasibility of the structure.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

Power transformers are quite costly and essential to provide reliable electrical power system operation. Besides their maintenance or substitution costs, transformer failures must be taken into account, since its will have a large impact on the utility financial health due to the temporary loss of power delivery capability. Concerning transformer failure statistics, investigations carried out in many utilities in the world reveal that the effect of electromechanical stress caused by short-circuit currents is a relevant cause of failure in such equipment and they cause onerous financial damage. Failures caused by mechanical stress due to external short-circuit and due to inrush currents are an important aspect to be considered. The excessive strength caused in transformer conductors/windings due to electromagnetic forces can reduce the transformer lifetime or even cause irreversible damages of them. Therefore, the investigation of the harmful effects caused by transient phenomena becomes imperative. With this in mind, this work aims at investigating the electromagnetic forces and mechanical stresses due to external short-circuit and inrush currents inside the transformer. The studies are carried out using a time domain transformer model based on magnetomotive forces and magnetic reluctances, which allows simulating the transformer transient and steady state behavior regarding the electric, magnetic and mechanical aspects. The methodology is applied in two transformer models operating under rated and short-circuit conditions. Due to the lack of mechanical stress experimental values, a comparative performance analysis is obtained by comparing the simulated results and the well accepted results from finite element program. The results obtained from simulations are evaluated through of the impacts provoked in the variables used to analyze the mechanical stresses which occur in the transformers due to short-circuit and inrush currents. From the mechanical stress calculated it is presented a methodology that establishes a correlation between the phenomena here investigated and the impact in the transformer lifetime. This can assist, previously, in the reduction of the number of unexpected failures and, consequently, in financial damages. / Transformadores de potência são dispositivos fundamentais para a operação de sistemas de potência e têm um peso significativo no custo total de uma instalação. Além dos custos de manutenção e substituição, as falhas nos transformadores devem ser levadas em consideração, no sentido de manter tanto a continuidade do fornecimento de energia como os padrões mínimos de qualidade estabelecidos para o insumo energia elétrico, aliado ao equilíbrio financeiro das empresas. Estudos realizados por concessionárias de diversos países deixam evidentes os enormes prejuízos financeiros das empresas do setor elétrico, devido às falhas mecânicas em transformadores. Defeitos provocados pelos esforços mecânicos decorrentes de correntes de curtos-circuitos passantes e correntes de inrush se constituem como importantes causadores de falhas em transformadores. Os esforços adicionais causados nos condutores/bobinas de transformadores, devido ao acréscimo das forças eletromagnéticas resultantes, podem, em alguns casos, vir a reduzir a vida útil de transformadores ou até mesmo provocar a sua perda total. A investigação dos efeitos danosos causados pelos fenômenos mencionados, portanto, torna-se imperativa. Nessa perspectiva, a presente tese tem por objetivo investigar as forças eletromagnéticas e o estresse mecânico resultantes de cor- rentes de curtos-circuitos passantes e correntes de energização que se estabelecem no interior de transformadores. Para alcançar tal propósito, é empregada uma modelagem computacional no domínio do tempo baseada em forças magnetomotrizes e relutâncias magnéticas. Este modelo permite simulações de fenômenos de regime transitório e per- manente, além de possibilitar o acesso às grandezas elétricas, magnéticas e mecânicas. A metodologia é aplicada a dois modelos de transformadores operando em condições nominais e em curto-circuito. Devido às dificuldades de se encontrar publicações que contenham valores de referência para validar a metodologia proposta, os resultados são comparados aos correspondentes obtidos de um tradicional e bem aceito pacote do Método dos Elementos Finitos. Os resultados oriundos das simulações são avaliados em termos do grau de impacto que é provocado nas grandezas utilizadas para aferir os esforços mecânicos a que fica submetido um transformador, quando de sua energização ou na ocorrência de curtos-circuitos passantes. A partir dos esforços mecânicos determinados é apresentada uma proposta de metodologia que estabelece uma correlação entre os fenômenos aqui estudados e o impacto sobre a vida útil de transformadores, que pode auxiliar, de maneira preditiva, na redução do número de falhas inesperadas e, em conseqüência, nos prejuízos financeiros decorrentes. / Doutor em Ciências

CNPq / Este trabalho apresenta um retificador trifásico isolado com correção do fator de potência utilizando um autotransformador Scott e utilizando dois retificadores monofásicos isolados com correção do fator de potência de estágio único (S2). O autotransformador Scott faz uma redução de fases permitindo que se utilizem dois retificadores de estágio único. Os conversores monofásicos utilizados são do tipo Full-Bridge Flyback. O conversor proposto pode operar como elevador ou abaixador de tensão dependendo da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor. O controle do conversor foi feito via MCU modelo TMS320F28335. Este trabalho apresenta a análise teórica do conversor operando em modo de condução contínua (CCM), bem como os resultados experimentais baseado em um protótipode 4kw. / This work presents a three-phase isolated rectifier with power factor correction using a Scott autotransformer and two isolated single-phase single-stage (S2) rectifiers. The Scott autotransformer provides a phase reduction allowing the use of two single-phase rectifiers. The single-phase converters used are the Full-Bridge Flyback type. The proposed converter can operate as a step-down or a step-up voltage, according to the relation between input andoutput voltage. The control of the converter was made in a MCU model TMS320F28335. This paper presents the theoretical analysis of the converter for continuous conduction mode (CCM) as well as experimental results based on a 4 kW prototype.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Power transformers are essential and a large part of the asset cost structure of the electrical power system. When they present any defect or failure, it will be required high costs to repair or replace them, due their commercial costs and by the capability loss to transmit power during a period of time. Generally, transformer failure can occur as a result of the weakness insulation caused by the electrochemical processes involving the cooling liquid (oil), by vibrations due the electromagnetic forces in normal operation, i.e., steady state, and also by winding deformation as the result of short-circuits. It is expected that a transformer will experience and survive a number of short circuits during its service life. But one such event will cause some slight winding movement, which can gradually increasing and the ability of the transformer to withstand further electromechanical forces will be then reduced. It is therefore very important to check the mechanical condition of transformers periodically, particularly for older units, to provide an early warning of an impending catastrophic failure. Thus a specialist technique is required for the monitoring and assessment of mechanical condition of winding transformer. Despite designers and manufacturers, as well as the operation and maintenance technicians of power supply companies worry about this subject, new methodologies and tools to assess the strength effects as the result of short circuits in transformers are still necessaries. So, this work proposes to know the strength characteristics caused by the radial and axial forces in winding transformers. In this context, it will be presented different strengths that can occur in winding transformer, identifying the principal failures as the result of these stresses. Besides, it will be developed an analytical method to evaluate the forces and stresses in winding three phase transformer under a three phase short circuit. Finally, the analytical method results will be compared with a computer simulation based in time domain using the software FEMM, which applies the finite element method. / Transformadores de potência são equipamentos essenciais aos sistemas elétricos e também um de seus componentes de maior preço. Quando estes equipamentos se danificam ou apresentam algum tipo de falha, o seu reparo ou até mesmo sua substituição demanda altíssimos custos financeiros, tanto pelo alto valor comercial destes equipamentos como pela perda temporária da capacidade de transmissão de energia elétrica. Muitas falhas destes equipamentos devem-se à redução da suportabilidade da isolação dos seus condutores/enrolamentos causado pelos fenômenos eletroquímicos do líquido de resfriamento (óleo), pelas vibrações produzidas pelas forças eletromecânicas durante a sua operação normal, ou seja, em regime permanente, e também pelas deformações dos enrolamentos causadas pelas altas correntes de curto-circuito. Espera-se, no entanto, que um transformador suporte um determinado número de curtos-circuitos durante seu tempo de operação. No entanto, verifica-se que cada evento poderá provocar pequenos deslocamentos relativos nos enrolamentos, os quais podem aumentar cumulativamente, reduzindo desta forma a capacidade do transformador de suportar novos esforços eletromecânicos. Neste contexto, torna-se importante a verificação periódica das suas condições mecânicas, principalmente nas unidades com muito tempo de operação, de forma a se obter subsídios para impedir falhas catastróficas. O emprego de técnicas especiais é requerido para o monitoramento e avaliação das condições mecânicas do enrolamento de um transformador. Apesar de este assunto ser uma preocupação constante dos projetistas e fabricantes de transformadores, bem como dos profissionais de manutenção e operação das empresas de energia elétrica, há certa carência de metodologias e ferramentas consistentes para se avaliar os efeitos dos esforços mecânicos decorrentes das elevadas correntes transitórias sobre estes equipamentos. Nessa perspectiva, este trabalho tem por meta o entendimento das características dos esforços mecânicos causados pelas forças radiais e axiais nos enrolamentos dos transformadores. Para tanto, esta dissertação mostrará os diferentes tipos de esforços eletromecânicos passíveis de ocorrer nos enrolamentos de um transformador, identificando os principais tipos de falhas provocadas por essas solicitações. Em seguida, será desenvolvida uma metodologia analítica para estimar as forças e estresses nos enrolamentos de um transformador trifásico submetidos a um curto-circuito trifásico. Assim, os valores obtidos pela metodologia analítica serão confrontados com resultados de uma simulação computacional no domínio do tempo utilizando-se o programa FEMM baseado na técnica de elementos finitos. / Mestre em Ciências