The characterization and modeling of piezoelectric transformers are studied and developed for use in electronic ballasts. By replacing conventional L-C resonant tanks with piezoelectric transformers, inductor-less piezoelectric transformer electronic ballasts have been developed for use in fluorescent lamps. The piezoelectric transformer is a combination of piezoelectric actuators as the primary side and piezoelectric transducers as the secondary side, both of which work in longitudinal or transverse vibration mode. These actuators and transducers are both made of piezoelectric elements, which are composed of electrode plates and piezoelectric ceramic materials. Instead of the magnetic field coupling between the primary and secondary windings in a conventional magnetic core transformer, piezoelectric transformers transfer electrical energy via electro-mechanical coupling that occurs between the primary and secondary piezoelectric elements for isolation and step-up or step-down voltage conversion. Currently, there are three major types of piezoelectric transformers: Rosen, thickness vibration mode, and radial vibration mode, all three of which are used in DC/DC converters or in electronic ballasts for fluorescent lamps. Unlike the other two transformers, the characterization and modeling of the radial vibration mode piezoelectric transformer have not been studied and developed prior to this research work. Based on the piezoelectric and wave equations, the physics-based equivalent circuit model of radial vibration mode piezoelectric transformers is derived and verified through characterization work. Besides the major vibration mode, piezoelectric transformers have many spurious vibration modes in other frequency ranges. An improved multi-branch equivalent circuit is proposed, which more precisely characterizes radial vibration mode piezoelectric transformers to include other spurious vibration modes in wide frequency ranges, as compared with the characterizations achieved by prior circuits. Since the equivalent circuit of piezoelectric transformers is identical to the conventional L-C resonant tank used in electronic ballasts for fluorescent lamps, piezoelectric transformers replace the conventional L-C resonant tank in order to reduce the amount and cost of electronic components for the electronic ballasts. With the inclusion of the radial vibration mode piezoelectric transformer, the design and implementation of inductor-less piezoelectric transformer electronic ballast applications have been completed. / Ph. D.

Este trabalho tem como principal objetivo apresentar um estudo, uma modelagem e uma simulação de um inversor de comutação suave para aplicação em um filtro ativo para instalações de baixa e média potência. Inicialmente apresenta uma revisão bibliográfica sobre inversores de comutação suave, onde os mesmos são classificados em função do local onde o circuito auxiliar de comutação suave está inserido, gerando três classificações básicas: comutação de linha, comutação de carga e comutação de chave. Três processos de comutação suave são apresentados: comutação em zero de tensão, comutação em zero de corrente e comutação em zero de corrente e zero de tensão. Dentro deste contexto apresentam-se as diversas topologias de inversores de comutação suave. Uma análise de comutação de um inversor em um filtro ativo monofásico é apresentada e o inversor ZCT com duas chaves auxiliares é selecionado para ser aplicado no referido filtro. Uma modelagem completa do inversor ZCT com duas chaves auxiliares é apresentada e corroborada pela comparação dos resultados de simulação obtidos a partir do modelo teórico com os resultados obtidos por meio de simulações realizadas no SPICE. A Modelagem do inversor ZCT com duas chaves auxiliares culmina em uma nova metodologia de projeto, onde é possível determinar com grande exatidão a máxima corrente de carga para a qual o inversor ainda opera no modo ZCT. Diversas simulações realizadas no Simulink/Matlab e no SPICE comprovam as comutações suaves em zero de corrente nas chaves do inversor e também o desempenho dinâmico do mesmo quando operando em um filtro ativo paralelo. / This work shows the study, the selection and the analysis of a soft-switched inverter for an ac single-phase active power filter. For this, various topologies of the soft-switched inverters are classified based upon the location of the auxiliary circuit and the topology that achieves the goals for application in the active power filter is selected. Three commutation processes are presented: zero voltage switching (ZVS), zero current switching (ZCS) and zero current and zero voltage switching (ZCZVS). The ZCT inverter with 2 auxiliaries switches is selected for the application in an ac single-phase active power filter: this topology reduces the turn-on losses and practically eliminates the turn-off losses of all IGBTs of the inverter. Some new guidelines to project the ZCT inverter with 2 auxiliaries switches are presented, achieving an accurate calculation of the maximum load current for operation in ZCT. The results of the simulation from Simulink/Matlab and SPICE prove some goals of the ZCT inverter: the ZCT inverter with 2 auxiliaries switches reduces the total losses when compared with the hard-commutation inverter and the dynamic performance of the ZCT inverter applied in an ac single-phase active power filter is showed.

Este trabalho tem como principal objetivo apresentar um estudo, uma modelagem e uma simulação de um inversor de comutação suave para aplicação em um filtro ativo para instalações de baixa e média potência. Inicialmente apresenta uma revisão bibliográfica sobre inversores de comutação suave, onde os mesmos são classificados em função do local onde o circuito auxiliar de comutação suave está inserido, gerando três classificações básicas: comutação de linha, comutação de carga e comutação de chave. Três processos de comutação suave são apresentados: comutação em zero de tensão, comutação em zero de corrente e comutação em zero de corrente e zero de tensão. Dentro deste contexto apresentam-se as diversas topologias de inversores de comutação suave. Uma análise de comutação de um inversor em um filtro ativo monofásico é apresentada e o inversor ZCT com duas chaves auxiliares é selecionado para ser aplicado no referido filtro. Uma modelagem completa do inversor ZCT com duas chaves auxiliares é apresentada e corroborada pela comparação dos resultados de simulação obtidos a partir do modelo teórico com os resultados obtidos por meio de simulações realizadas no SPICE. A Modelagem do inversor ZCT com duas chaves auxiliares culmina em uma nova metodologia de projeto, onde é possível determinar com grande exatidão a máxima corrente de carga para a qual o inversor ainda opera no modo ZCT. Diversas simulações realizadas no Simulink/Matlab e no SPICE comprovam as comutações suaves em zero de corrente nas chaves do inversor e também o desempenho dinâmico do mesmo quando operando em um filtro ativo paralelo. / This work shows the study, the selection and the analysis of a soft-switched inverter for an ac single-phase active power filter. For this, various topologies of the soft-switched inverters are classified based upon the location of the auxiliary circuit and the topology that achieves the goals for application in the active power filter is selected. Three commutation processes are presented: zero voltage switching (ZVS), zero current switching (ZCS) and zero current and zero voltage switching (ZCZVS). The ZCT inverter with 2 auxiliaries switches is selected for the application in an ac single-phase active power filter: this topology reduces the turn-on losses and practically eliminates the turn-off losses of all IGBTs of the inverter. Some new guidelines to project the ZCT inverter with 2 auxiliaries switches are presented, achieving an accurate calculation of the maximum load current for operation in ZCT. The results of the simulation from Simulink/Matlab and SPICE prove some goals of the ZCT inverter: the ZCT inverter with 2 auxiliaries switches reduces the total losses when compared with the hard-commutation inverter and the dynamic performance of the ZCT inverter applied in an ac single-phase active power filter is showed.

Geólogo / La aplicación de tomografías sísmicas en sistemas volcánicos e hidrotermales permite inferir propiedades físicas y litológicas del área estudiada a partir de la distribución 3D de velocidades sísmicas y sus variaciones. Sin embargo, la interpretación en general es ambigua porque son varios los factores químicos y mecánicos que controlan las velocidades de ondas sísmicas. En esta memoria se plantea que es posible identificar zonas saturadas con distintos tipos de fluido, arcillas y/o fracturas en sistemas hidrotermales a partir de los valores de velocidades de ondas P y S de una tomografía sísmica 3D utilizando criterios cuantitativos. Al contrastar los modelos obtenidos con información geológica disponible es posible mejorar la comprensión de su dinámica, determinando la geometría y la relación espacial entre las estructuras y los reservorios asociados al sistema volcánico-hidrotermal. En este trabajo se estudia el Complejo Volcánico Tinguiririca (CVT), ubicado en la Zona Volcánica Sur Transicional, en Los Andes de Chile central. Es un sistema volcánico-hidrotermal activo que se compone de tres estratovolcanes además de varios conos de escoria y manifestaciones termales alineados a lo largo de 20 km en dirección NNE, cerca de la traza principal del sistema de fallas El Fierro. Para cuantificar las variaciones de Vp, Vs y el módulo de Poisson (σ) causadas por la presencia de distintos tipos de fluido se utilizó un modelo de inclusiones de fluido con geometría de esferoide oblato. La principal conclusión obtenida es que estudiar las variaciones de dVs en conjunto con los módulos de Poisson obtenidos de una tomografía sísmica en un sistema hidrotermal posibilita distinguir zonas con distintos tipos de fluido (fundido, agua y/o gases), fracturamiento y arcillas. Utilizando estos resultados, se desarrolló un método que permite clasificar los datos y visualizar en 3D la distribución de las zonas antes definidas Al aplicar la metodología propuesta a la tomografía sísmica de Pavez et al. (2016) en el Complejo Volcánico Tinguiririca, se identificaron zonas con distintas propiedades petrofísicas en el área estudiada. Las principales son: en la zona noroeste existe un volumen con alteración hidrotermal y fracturas con arcillas; en el suroeste, se observa un cuerpo con fracturas secas, que representa la zona de daño del sistema de fallas El Fierro. Al oeste, se identificó un posible reservorio magmático compuesto de diques y saturado de volátiles, y al suroeste una zona saturada con agua, cerca de las Termas del Flaco. Esta distribución, tras contrastarse con información geológica y geofísica de otras fuentes, permitió establecer los principales rasgos de la dinámica del sistema volcánico e hidrotermal. Se propone la existencia de fluidos primarios producidos por desgasificación de un reservorio magmático. Éstos ascienden a través de diques y fracturas asociadas a la zona de daño del sistema de fallas El Fierro. Al sur, el sistema tiene una zona dominada por líquidos, y al norte una zona dominada por vapor, con alteración hidrotermal y arcillas bajo los volcanes y las manifestaciones termales solfatáricas. La aplicación del método desarrollado aquí supone una mejora en la interpretación de tomografías sísmicas en sistemas volcánicos e hidrotermales, debido a que permite detectar zonas con fluidos, arcillas, fundido y fracturas utilizando un enfoque cuantitativo, con criterios de clasificación basados en modelos numérico-elásticos.

The inherent difficulty in designing high voltage power supplies is often compounded by demands of high reliability, high performance, and safe functionality. A proposed high step-up ratio DC-DC converter meets the exacting requirements of applications such as uninterruptible power systems, radar, and pulsed power systems. The proposed DC-DC converter topology combines a multi-phase buck input stage with a novel self-tracking zero-voltage-switching (ZVS) resonant output stage. Traditionally, the inclusion of multiple power processing stages within a power supply topology severely degrades the overall converter efficiency. Due to the inherent high efficiency per stage, however, this effect is minimized. The self-tracking switching scheme ensures that ZVS occurs across the full range of load variation. Furthermore, the switching scheme allows significantly increased flexibility in component tolerances compared to traditional resonant converter designs. The converter also demonstrates indefinite short-circuit protection and true ZVS during transient processes. Computer simulation and hardware analysis verify the efficacy of the topology as a rugged and efficient converter.

This work presented is DC-DC isolated ZVS Bidirectional Dual Active Bridge (DAB) single phase converter, based three-state switching cell is presented. The proposal is to apply it in photovoltaic systems with battery bank into smart networks. Basically the drive control is the duty cycle (D) of the switches and the Phase Shift (φ) of the fundamental tensions between the bridges. The gyrator modeling of the converter is presented, highlighting its natural operating characteristic as gyrator. Shows the qualitative and quantitative analysis of the converter, realizing the full study of the stages of operation of the topology and checking all sixteen regions of operation. To obtain the regions of soft-switching, the fundamental model is applied. The design procedure of the converter is presented, and the results of simulations. A 2kW prototype was developed, aimed at obtaining experimental results validate the theoretical analysis / Neste trabalho à apresentado o conversor CC-CC ZVS isolado bidirecional Dual Active Bridge (DAB) monofÃsico, baseado na cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados. A proposta à aplicÃ-lo em sistemas fotovoltaicos com banco de baterias em redes inteligentes. Basicamente o controle do conversor consiste na razÃo cÃclica (D) dos interruptores e o Phase Shift (φ) entre as componentes fundamentais das tensÃes entre as pontes. A modelagem por gyrator do conversor à apresentada, destacando-se sua caracterÃstica natural de funcionamento como gyrator. Mostra-se a anÃlise qualitativa e quantitativa do conversor, realizando o estudo completo das etapas de operaÃÃo da topologia e verificando todas as dezesseis regiÃes de operaÃÃo. Para obtenÃÃo das regiÃes de comutaÃÃo suave, à aplicado o modelo fundamental. O procedimento de projeto do conversor à apresentado, alÃm dos resultados de simulaÃÃes. Um protÃtipo de 2 kW foi desenvolvido, visando a obtenÃÃo dos resultados experimentais e validando a anÃlise teÃrica.

Le véhicule aérien a connu de nombreuses révolutions durant les dernières décennies afin d’être plus économe en énergie et plus respectueux de l’environnement. Dans cet objectif, l’électricité est apparue comme le vecteur énergétique le plus adapté associé aux sources conventionnelles d’énergie. C’est dans ce contexte que nos recherches se sont portées sur ce mode de transport qui va voir des bouleversements structurels importants et de plus en plus d’équipements électriques installés à bord. Ce travail de recherche s’intéresse à une brique de conversion DC/DC nécessaire au transfert d’énergie entre les bus HVDC et LVDC présents sur les avions actuels, pour cela nous avons étudié la structure et le contrôle de la topologie Dual Active Bridge qui apparaît comme le meilleur candidat pour atteindre les objectifs techniques, de rendement et compacité. Un dimensionnement ainsi que des résultats expérimentaux sont présentés pour valider nos choix avec un démonstrateur de 3,75kW. Des pistes de réflexions sont enfin proposées pour poursuivre et étendre certaine assertions vers une structure tri-ports pour l’interfaçage de multiples réseaux et moyen de stockage. L’originalité de ses travaux réside dans la volonté de concevoir un produit industrialisable dans le domaine de l’aéronautique en favorisant plusieurs ruptures technologiques jusqu’alors rédhibitoire chez les avionneurs. / Avionics is intended to become more and more efficient in terms of energy saving thanks to increased efficiency of embedded system. Today, electricity is presented as the best energy vector compared to hydraulic or pneumatic. This is why current researches aim to focus on power electronic converters in order to meet the future electrical power demand in aircraft networks. This research project presents a DC/DC dual active bridge converter which is expected as the best candidate to meet the complex requirements of an aircraft environment, especially the high voltage dynamics. This persuaded us to study the structure and modulations which are explained and brought face to face with a 3,75kW demonstrator in order to validate the theoretical assumptions. Some food for thought is proposed to extend this work toward a three-port converter to interface multiple network as well as storage systems. The originality of this work is to build a new kind of active conversion system promoting break through technologies to prove it suits to aircraft specifications.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDUARDO MALDAUN BARRETO.pdf: 3234972 bytes, checksum: 1d2d2b79d8a4946c00677b6193158089 (MD5) Previous issue date: 2011-12-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work present a study of a three level NPC (Neutral Point Clamped), with ZVS (Zero Voltage Switching) and PWM (Pulse Width Modulation) control strategy, using a FPGA (Field Programmable Gate Array) for digital control and switches activation. First, a theoretical study is done, where the main waveforms and operation stages are presented. After, a quantitative study is done in order to implement the NPC inverter. Based on the calculations, the mathematical models for each inverter section are extracted to implement the digital control. The project data is then compiled and simulated on Orcad Pspice and Simulink software. Finally, an 1.5 kW, 800 V input voltage, 127 V or 220 V output voltage, and 200 kHz switching frequency is implemented and the experimental results are compared with theoretical and simulated results / Este trabalho apresenta o estudo de um inversor NPC (Neutral Point Clamped) a três níveis com comutação suave ZVS (Zero Voltage Switching) e controle PWM (Pulse Width Modulation), fazendo o uso de uma lógica programável do tipo FPGA (Field Programmable Gate Array) para controle e acionamento das chaves. Inicialmente é feito um estudo qualitativo do inversor, onde as principais formas de onda e etapas de operação são apresentadas, a seguir são estudados os aspectos quantitativos para, desta forma, efetuar o projeto do inversor. Com o inversor definido, todos os modelos matemáticos de todos os circuitos necessários para se realizar o controle digital do inversor são apresentados, assim como o projeto de um controlador digital. Utilizando os dados de projeto do inversor NPC ZVS PWM e controle, os resultados de simulações feitas nos programas Orcad Pspice e Simulink são obtidos. Por fim, um protótipo de 1,5 kW, 800 V de tensão de entrada, 127 V ou 220 V de tensão de saída e 200 kHz de frequência de comutação é montado e os resultados experimentais são avaliados e comparados com os previamente obtidos numericamente e por simulação.

This work developed a deep investigation about different three level three level modulation patterns that the DAB converter can operate, and the impact of these different patterns over the converter power flow and efficiency. The DAB converter can be controlled by three design variables, here defined as control trio (D1, D2, φ). D1 is the duty cycle applied to the high voltage Full Bridge, D2 is the duty cycle applied to the low voltage Full Bridge and φ is the angle between the voltages. For the selection of the control trio that allow the current flow reduction and the efficiency maximization, two algorithms based on the sweep of these variables have been developed. First, the switching frequency (fs), the transformation ratio (a) and the inductance (LHV) are defined by the weighted average efficiency (standards) which result in an optimum design (maximum efficiency) considering the transformer load curve. On the second algorithm, one figure of merit is used, here called current factor , which finds the control trio to mitigate the power flow for each operation point, specified by input and output voltages and power. As result, this work figures out the best relation of design parameters (fs, a, LHV) and of the control trio (D1, D2, φ) for all the operation range (power and voltages variations in a defined period) that results in a maximum efficiency to the DAB converter, according with the component technologies. An analysis of the conditions to get zero voltage switching on semiconductors is also performed. / Este trabalho realiza uma investigação aprofundada sobre os diferentes padrões de modulação três níveis três níveis que o conversor DAB pode assumir, e o impacto que esses diferentes padrões provocam sobre a energia circulante na estrutura e sobre o rendimento. O conversor DAB pode ser controlado por três variáveis de projeto, aqui definidos como trio de controle (D1, D2, φ). D1 é a razão cíclica aplicada ao Full Bridge do lado de alta tensão, D2 a razão cíclica aplicada ao Full Bridge do lado de baixa tensão e φ o ângulo de defasagem entre as duas tensões. Para a seleção do trio de controle que permita a redução da corrente circulante e a maximização do rendimento, foram desenvolvidos dois algoritmos baseados na varredura destas variáveis. No primeiro, através do rendimento médio ponderado (normatizado), são encontradas a frequência de comutação (fs), a relação de transformação (a) e a indutância (LHV) que resulta em um projeto ótimo (máximo rendimento) considerando a curva de carga do transformador. Já, no segundo algoritmo, é utilizada uma figura de mérito, aqui denominada de fator de corrente que encontra o trio de controle que mitiga a energia circulante para cada ponto de operação especificado pelas tensões de entrada e saída e potência. Como resultado final, este trabalho aponta a melhor combinação de parâmetros de projeto (fs, a, LHV) e do trio de controle (D1, D2, φ) para toda a faixa de operação (variações de tensões e potências no período de tempo) que implica no máximo rendimento do conversor DAB, de acordo com as tecnologias. Também é realizada uma análise das condições a serem satisfeitas para que a comutação das chaves ocorra sob zero de tensão.

Geólogo / La Zona Volcánica Sur está compuesta por volcanes Pleistocenos-Holocenos, calderas y centros eruptivos menores, los cuales han sido estudiados por diversos autores. Entre estos volcanes se encuentra el Volcán Antuco (2987 m.s.n.m), el cual se edificó sobre los depósitos volcánicos del Volcán Sierra Velluda y la Formación Curamallín. Este volcán consta de dos unidades denominadas Unidad Antuco I y Antuco II separadas por un evento catastrófico, donde el cono formado por la Unidad Antuco I colapsó, dejando una caldera en forma de herradura. Los análisis petrográficos geoquímicos y mineralógicos de este estudio muestran cambios en las proporciones de fenocristales y masa fundamental a lo largo de la actividad del volcán. Además de texturas de desequilibrio que evidencian procesos de diferenciación magmática dentro del reservorio. Se clasificaron los fenocristales y como resultado se obtuvieron cuatro tipos de plagioclasas, dos tipos de olivinos, piroxenos en distintas condiciones y composiciones y óxidos de Fe-Ti. A partir de esta información se estimaron datos mediante geotermometría en asociaciones olivino-augita (Loucks, 1996) y olivino-líquido (Putirka, 2008), mostrando rangos de temperaturas de formación para los microlitos de 980 a 1130°C y en los cúmulos de fenocristales de 1155 a 1278°C. Utilizando un modelamiento de equilibrio entre plagioclasas y fundido, se obtuvo una aproximación a la información durante la formación de estos cúmulos evidenciando un calentamiento mínimo de 55°C y valores máximos de descompresión de 1,5 kbar y 1,2 %wt en exolución de agua. Esto implicaría la presencia de un reservorio somero(0-5km), donde los magmas sufrirían procesos de fraccionamiento mineral, recalentamiento por nuevos inputs de magmas más densos, exolución de volátiles y zonas dentro del reservorio donde la proporción de cristales cambia por procesos convectivos internos.