O presente trabalho apresenta o estudo, o equacionamento, a simulação e uma metodologia de projeto para um conversor CC/CC do tipo Half-Bridge, com transformador de potência alimentado por transistores bipolares em semi-ponte, com circuito de acionamento de base proporcional isolado. O circuito possui um controle de sincronismo aplicado ao transformador de pulso responsável pelo controle das chaves semicondutoras do conversor. A metodologia de projeto do circuito de acionamento de base proporcional isolado é discutida e alguns resultados são mostrados. Além disso, pretende-se empregar esse tipo de conversor em veículos aeroespaciais devido a robustez no circuito de acionamento de base, em específico na Unidade de Suprimento de Energia do satélite universitário ITASAT. Utilizando-se o diagrama esquemático do conversor proposto é feito o equacionamento matemático, a fim de se obter a frequência de oscilação livre, ou natural, a partir do qual é proposta uma metodologia de projeto. Ao final do trabalho são comparados os resultados experimentais com a simulação, com o objetivo de melhor avaliar a metodologia proposta. / This work presents the study, equation development, simulation and a design methodology for a Half-Bridge DC/DC converter, with power transformer fed by bipolar transistors in a half-bridge configuration, with proportional base drive circuit. The circuit has a synchronism control applied to the pulse transformer responsible for controlling the semiconductor switches of the converter. The design methodology of the proportional base drive is discussed and some results are shown. In addition, this type of converter is intended to be used in aerospace vehicles due to the increased robustness of the base drive circuit, for instance, the Power Supply Unit of ITASAT Satellite. A mathematical modeling is done in order to obtain the oscillation frequency (natural frequency) of the converter, from which a design methodology is proposed. At the end of the study the experimental are compared with the simulation, in order to evaluate the proposed methodology.

This master thesis present the analysis of a power module with cascaded converters applied to solid state transformers. The power module is built by an AC-DC input stage, constituted by full-bridge topology, an DC-DC intermediate isolated stage, formed by the dual active bridge converter (DAB), and an DC-AC output stage composed of full-bridge topology. The central study developed is based on the investigation of the dynamic interactions impedances in the connection points of the converters and power module stability. The criterion of Middlebrook is applied as the basis for determining the margin of interaction of the coupling between rectifier/DAB and DAB/inverter and definition of critical parameters of power and control for the characteristics of the impedance of each stage. The criterion of Nyquist is applied to study the stability margin of the couplings. Due to the inverter operation, there is a significant second harmonic current that generating voltage ripple at 120 Hz in the DC bus that interconnects the power converters. In this sense, this master thesis contributes presenting a theoretical analysis of the effects of voltage ripples in the operation and performance of the power circuit and control system of the DAB converter. The methods of PI control and PI-notch in DAB control system are explored, highlighting that the inclusion of notch filter performs better by enabling the mitigation of the negative effects introduced by the voltage ripple at 120 Hz. Moreover, a methodology study and PI of the project is proposal to achieve better results with this method of control, from the point of view of stability and performance. Experimental and simulation results of the system are included to demonstrate the developed analysis. / Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo de um módulo de potência com conversores em cascata aplicado a transformadores de estado sólido. O módulo de potência é integrado por um estágio CA-CC de entrada, constituído pela topologia full-bridge, um estágio intermediário CC-CC isolado, formado pelo conversor dual-active bridge (DAB) e um estágio CC-CA de saída composto pela topologia full-bridge. O estudo central desenvolvido baseia-se na investigação das interações dinâmicas de impedâncias nos pontos de acoplamento dos conversores e da estabilidade do módulo de potência, a partir das impedâncias de entrada e saída de cada estágio. O critério das impedâncias de Middlebrook é utilizado como base para determinação da margem de interação entre os acoplamentos retificador/DAB e DAB/inversor e definição dos parâmetros de potência e controle críticos para as características das impedâncias de cada estágio. O critério da estabilidade de Nyquist é aplicado para o estudo da margem de estabilidade dos acoplamentos. Devido à operação do inversor, há um significativo segundo harmônico de corrente que gera ondulações de tensão em 120 Hz no barramento CC que interliga os conversores de potência. Neste sentido, esta dissertação de mestrado contribui apresentando uma análise teórica dos efeitos das ondulações de tensão na operação e desempenho do circuito de potência e sistema de controle do conversor DAB. São explorados os métodos de controle PI e PI-notch no sistema de controle do DAB, destacando que a inclusão do filtro notch apresenta melhores resultados por possibilitar a atenuação dos efeitos negativos introduzidos pelas ondulações de tensão em 120 Hz. Junto a isso, uma metodologia de estudo e projeto do PI é proposta visando alcançar melhores resultados com este método de controle, do ponto de vista de estabilidade e rendimento. Resultados experimentais e de simulação do sistema são incluídos de modo a comprovar a análise desenvolvida.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master s Dissertation is proposes the development of a charge management system of a bank of 16 lead-acid batteries with 7Ah load capacity, commonly used in Uninterruptible Power Supplies (UPS). This system aims to ensure that these batteries reach a full charge status faster than the conventional way. To this, it was chosen to make the modification of the pulsed current charging method, in order to reduce problems, such as elevation of bus voltage to return the energy to it, or dissipation of that energy in a resistance, resulting in lower system efficiency, inherent in the method taken as a basis when the battery power withdrawal interval occurs. For the development of the suggested charging system the static converter Full-Bridge Isolated with modulation Phase Shift was chosen. To implement the digital control as well as its practical development in the same laboratory the simplified modeling of this converter was made. The results of simulation and experimental to validate the method are presented. / Esta dissertação de mestrado tem como proposta o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de carga de um banco de 16 baterias de chumbo ácido, com capacidade de carga de 7Ah, comumente utilizado em Fontes Ininterruptas de Energia (UPS). Este sistema visa garantir que estas baterias cheguem a um estado de carga completo e de forma mais rápida que a convencional. Para isto, foi escolhido fazer a modificação do método de carga de corrente pulsada, com o objetivo de reduzir problemas inerentes do método tomado como base, quando ocorre o intervalo de retirada de energia da bateria, tais como: elevação da tensão do barramento ao retornar a energia para ele, ou, dissipar esta energia em uma resistência, o que acarreta em baixa eficiência do sistema. Para o desenvolvimento do sistema de carga sugerido foi escolhido o conversor estático Full-Bridge Isolado com modulação Phase Shift. Foi feita a modelagem simplificada deste conversor, para a implementação do controle digital, assim como o desenvolvimento prático do mesmo em laboratório. São apresentados os resultados de simulação e experimentais para validar o método.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis presents a design methodology for the dual active bridge converter, that includes the influence of the nominal phase-shift angle in the behavior of the DAB converter for entire power and voltage ranges. The analysis presented focus on two important performance parameters of the DAB converter: the nonactive power and the limits of ZVS operation. The study of these two parameters results in a prior knowledge of the qualitative characteristics of the conduction and switching losses, respectively. Using this knowledge it is possible to optimize the converter operation considering the priorities of application performance. The experimental results were performed for three different projects nominal angles and three different input voltages for the whole load range, and they prove the feasibility of the proposed analysis. The analyse of the limit ZVS area took into account the switches intrinsic capacitances, and the dead time between the complementary switches. The DAB converter placed at a three-stage structure applied to solid state transformer, has voltage ripple at low frequency in their bus voltages because of the connection into the distribution network. Thus, it becomes possible to apply a low frequency burst mode modulation, without needing to oversize the bus capacitors. Three burst mode modulations are evaluated in simulation. The modulation which performed better results in simulation was implemented in practice, and the experimental results showed significant improvement in the converter´s efficiency when it is operating in light loads. Finally, a discussion of the parameters to be evaluated for the DAB converter´s design is proposed. / Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia de projeto do conversor DAB, a qual inclui a influência do ângulo nominal de defasagem no comportamento do conversor DAB para toda faixa de potência e de tensão. Além disso, as análises focam em dois importantes parâmetros de desempenho do conversor DAB: a potência não ativa e os limites de operação com ZVS. O estudo destes dois parâmetros resulta em um conhecimento prévio das características qualitativas das perdas de condução e comutação, respectivamente. Através deste conhecimento é possível otimizar a operação do conversor considerando as prioridades de desempenho da aplicação. Os resultados experimentais, que comprovam as análises referentes à potência não ativa e aos limites de operação com ZVS, são realizados para três diferentes projetos de ângulos nominais e três diferentes tensões de entrada, para toda faixa de operação de carga. O estudo dos pontos de perda de ZVS considerou as capacitâncias intrínsecas dos interruptores e o tempo morto entre os interruptores complementares. O conversor DAB funcionando em uma estrutura de três estágios, aplicado a transformadores de estado sólido, apresenta ondulação de tensão em baixa frequência em seus barramentos, provinente da conexão da estrutura na rede de distribuição. Deste modo, torna-se possível a aplicação de modulações de baixa frequência do tipo burst, sem a necessidade de sobredimensionamento dos capacitores. Três modulações são realizadas e avaliadas em simulação. A modulação que apresentou melhores resultados em simulação foi implementada na prática, e os resultados experimentais mostraram melhora significativa da eficiência do conversor em baixas cargas. Por fim, uma discussão sobre as considerações a serem avaliadas nos parâmetros de projeto do conversor DAB é proposta.

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Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcos Vinicius Bressan.pdf: 3794882 bytes, checksum: c55b9af15d7d913dc3d962a990a792c4 (MD5) Previous issue date: 2014-02-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work present a new three-phase hybrid multilevel inverter, that is composed of two topologies in cascaded association. The three-phase NPC and the half-bridge modules are connected in series. This con¬nection increases the number of the output voltage levels, improves the output voltage quality and rises the power process by inverter. The theoretical analysis is presented, the switching states are investigated and the average and the RMS currents values in the semiconductors are verified. Based on the current values are projected the dc capacitors, and analyzed the semicondutors loss energy and the input currents of the inverter. Two modulation scheme are presented at proposed inver¬ter, the hybrid PWM and SVM modulation scheme. The first part of the experimental results are verified behavior of the multilevel power structure developed in laboratory. The second part of the experimen¬tal results evaluates quality of output voltage with different modulation scheme using of the mathematical tools THD and WTHD. / Este trabalho apresenta um novo inversor multinível híbrido trifásico, que é formado pela associação em cascata de duas topologias. No caso, um conversor NPC trifásico conectado em série a módulos de converso¬res meia ponte. A ligação em série desses conversores permite ampliar o número de níveis de tensão sintetizados pelo inversor, melhorar a qualidade da forma de onda da tensão de saída e o aumento da energia processada pelo inversor. Uma análise teórica do inversor é apresen¬tada, averiguando as etapas de operação e determinando os valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores de potência. Com base nas análises dos valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores dimensiona-se os capacitores de barramento, assim com a energia dissi¬pada pelos semicondutores e a análise teórica das correntes de entradas do inversor empregando de retificadores multipulsos. Também são apre¬sentadas duas técnicas de modulação ao inversor proposto: a técnica de modulação PWM híbrida e a SVM. Os resultados experimentais, em sua primeira parte, avaliam o comportamento da estrutura multinível desenvolvida em laboratório. Na segunda parte dos resultados experi¬mentais, avalia-se qualidade da forma de onda de tensão com diferentes técnicas de modulação utilizando das ferramentas matemáticas THD e WTHD.

This work presents an analysis of a Piezoelectric Transformer (TP), showing the main types of devices, characteristics, operation modes, among others important points. The parameters of Mason Classic Model are determined by frequency response analysis. The nominal load is determined considering the maximum power transfer and the efficiency from the load tests. In order to obtain a more accurate equivalent model, an optimization methodology of equivalent model is proposed. The criterion used to optimize the model is the minimum standard square error between frequency response of TP and model. To prove the results obtained by the optimization meth-odology, it is presented, in impedance graphs, the curves of model obtained by fre-quency response, optimized model and TP. The optimized model is obtained for dif-ferent segments configurations of TP. The analysis of segments has the goal to adapt the TP to specific applications, enabling the parameters adjust, to different condi-tions of load impedance to maximum power transfer, voltage gain and efficiency, among others. The Half-Bridge practical results with nominal load are presented to all segments configurations, using as resonant converter. / Este trabalho apresenta uma análise sobre Transformador Piezelétrico (TP), mostrando os principais tipos de dispositivos, características, modos de operação, en-tre outros pontos importantes. Os parâmetros do modelo clássico de Mason são de-terminados pela análise da resposta em frequência. A carga nominal é determinada levando em conta a máxima transferência de potência e o rendimento a partir de tes-tes de carga. Para obter o modelo equivalente mais preciso é proposto uma metodolo-gia de otimização do modelo equivalente. O critério utilizado para otimizar o modelo é do menor erro quadrático normalizado e ponderado entre a resposta em frequência do modelo e a resposta experimental do TP. Para comprovar os resultados obtidos pela metodologia de otimização, são apresentados gráficos de resposta em frequência do modelo obtido pela resposta em frequência, do modelo otimizado e a resposta ex-perimental do TP. O modelo otimizado é estendido para diferentes configurações de segmentos do TP. A análise dos segmentos tem como objetivo adequar o TP para aplicações específicas, possibilitando o ajustes de parâmetros, para diferentes condi-ções de resistência de carga para máxima transferência de potência, ganho de tensão e rendimento, entre outros. Resultados práticos com carga nominal são apresentados para todas configurações de segmentos, utilizando como conversor ressonante o con-versor Half-Bridge.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The subject of this work is to present a switched reluctance machine (SRM) driver capable to control the machine as a motor/generator, allowing the transition between the modes of operation while the machine is running. Six load voltage control strategies developed to be applied to a switched reluctance generator was performed, being that the strategies AV2, TBV, Hi and AMV was developed in this work. A SRM simulation able to represent the machine as a motor/generator was implemented and the results were presented. The load voltage strategies showed in this work was tested through simulations and the results indicate that the strategy called AV2 was the best one, providing a better utilization of the mechanical energy from the primary source. A prototype was assembled and the experimental results showed that the machine operating as a motor/generator operate properly and all the load voltage strategies developed to switched reluctance generator kept the voltage on the load near to the reference value confirming the functionality of the strategies. / Este trabalho tem como objetivo apresentar um acionamento capaz de controlar a máquina de relutância variável (MRV) como motor e como gerador, permitindo a transição de modos de operação com a máquina girando. Seis técnicas de controle de tensão na carga da máquina operando como gerador foram implementadas, sendo que as estratégias AV2, TBV, Hi e AMV foram desenvolvidas neste trabalho. Uma simulação da MRV capaz de representar a operação da máquina como motor/gerador foi desenvolvida e os resultados foram apresentados. As estratégias de controle de tensão na carga foram testadas através de simulação. Comparações entre as mesmas demonstraram que a estratégia AV2 é a que proporciona maior geração de energia elétrica, demonstrando a importância de se adicionar uma etapa de roda livre ao controle do GRV com malha fechada de tensão na carga. Um protótipo foi construído no laboratório utilizando DSP e resultados experimentais da máquina operando como motor/gerador, assim como resultados do GRV controlado pelas estratégias de controle de tensão na carga foram apresentados e discutidos. / Doutor em Ciências

This thesis deals with the design of Hybrid Energy Storage System (HESS) for Light Electric Vehicles (LEV) and EVs. More specifically, a tri-mode high-efficiency non-isolated half-bridge converter is developed for the LEV based HESS applications. A 2 kW, 100 V interleaved two-phase converter prototype was implemented. The peak efficiency of 97.5% and a minimum efficiency of 88% over the full load range are achieved. Furthermore, a power-mix optimizer utilizing the real-time Global Positioning System (GPS) data for the EV based HESS is proposed. For a specific design, it is shown that at the cost of less than 1.5% of the overall energy savings, the proposed scheme reduces the peak battery charge and discharge rates by 76% and 47%, respectively. A 30 kW bi-directional dc-dc converter is also designed and implemented for future deployment of the designed HESS into a prototype EV, known as A2B.

This thesis deals with the design of Hybrid Energy Storage System (HESS) for Light Electric Vehicles (LEV) and EVs. More specifically, a tri-mode high-efficiency non-isolated half-bridge converter is developed for the LEV based HESS applications. A 2 kW, 100 V interleaved two-phase converter prototype was implemented. The peak efficiency of 97.5% and a minimum efficiency of 88% over the full load range are achieved. Furthermore, a power-mix optimizer utilizing the real-time Global Positioning System (GPS) data for the EV based HESS is proposed. For a specific design, it is shown that at the cost of less than 1.5% of the overall energy savings, the proposed scheme reduces the peak battery charge and discharge rates by 76% and 47%, respectively. A 30 kW bi-directional dc-dc converter is also designed and implemented for future deployment of the designed HESS into a prototype EV, known as A2B.