Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the last decade, disturbances in the electrical system have been increased, mainly due to proliferation of nonlinear loads. As a result harmonic distortion, voltage unbalance and frequency variations are becoming a concern. These disturbances can produce distortions in the synchronization signals used by PWM converters connected to utility grid. Theses distortions in the synchronization signals, consequently, increase distortions in generated or drained currents by the three-phase PWM converters. Due these facts, several synchronization methods are developed with purpose to operate adequately to reduce the impacts of corrupting grid voltages on the synchronization signals. In this sense, synchronization methods that used closed loop and open loop algorithms are proposed in the literature. Although closed loop methods have low sensitivity to the frequency variations, a trade of between good transient response and good filtering characteristics must always be considered. Moreover, the algorithms developed to the closed loop methods on fixed point DSP, generally, present larger execution time those open loop synchronization methods.Open loop methods standout for their simplicity as compare closed loop methods. However, none of open loop methods reported, so far, have a good performance in terms of the distortion synchronization signals and consequently in the generated or drained currents in the three-phase PWM converters under unbalance, harmonics and frequency variations in the grid voltages. In this sense, this Doctor Thesis proposes a study, analysis and development of a new open loop synchronization method applied on three-phase three-wire and four-wire PWM converters connected to the utility grid. This method provides a good performance even in the presence of harmonics, severe voltage unbalance and frequency variations on grid voltages. Initially, it is presented an overview of open loop synchronization method applied to three-phase PWM converters. Then, have been situated the characteristics and limitations of the new method under grid voltages disturbances. In addition, the proposed method is implemented considering that two distinct cases. The first case describes the implementation of the new synchronization method to synchronized three-phase three-wire PWM rectifiers. The second case presents the implementation of the new synchronization method to generate reference currents to three-phase four-wire shunt active power filter. Furthermore, simulation and experimental results are obtained to demonstrate the good performance of the new open-loop synchronization method used in three-phase threewire and four-wire PWM converters along the Thesis. / Nas últimas décadas houve um aumento significativo de distúrbios nas tensões dos sistemas elétricos, tais como distorções harmônicas, desequilíbrios, variações de freqüência entre outros, devido principalmente, ao aumento da utilização de cargas não lineares. Estes distúrbios podem causar distorções nos sinais de sincronização gerados, os quais são usados para sincronizar conversores PWM com a rede elétrica. Estas distorções nos sinais de sincronismo podem, conseqüentemente, provocar o aumento de distorções nas correntes geradas ou drenas por conversores PWM trifásicos. Devido a estes fatos, vários métodos de sincronização foram desenvolvidos no intuito de operar adequadamente, reduzindo o impacto destes distúrbios sobre os sinais de sincronismo gerados. Neste sentido, métodos de sincronização que utilizam algoritmos em malha fechada e em malha aberta são propostos na literatura. Com relação aos métodos de malha fechada, estes apresentam baixa sensibilidade a variações de freqüência, entretanto, a relação entre uma adequada resposta transitória e uma boa característica de filtragem deve ser considerada. Além disso, os algoritmos desenvolvidos para os métodos em malha fechada e implementados em processadores digitais de sinais, apresentam um tempo de processamento, geralmente, maior que os métodos em malha aberta. Por sua vez, métodos em malha aberta destacam-se por sua simplicidade quando comparados aos métodos em malha fechada. Entretanto, nenhum método em malha aberta foi apresentado até o momento na literatura, que resulte em um bom desempenho com relação aos sinais de sincronização gerados quando se fazem presentes nas tensões da rede elétrica, conjuntamente, desequilíbrios, harmônicos e variações de freqüência. Neste sentido, a presente Tese de Doutorado trata do estudo, análise e desenvolvimento de um novo método de sincronização em malha aberta aplicado a conversores PWM trifásicos a três e a quatro fios conectados a rede elétrica. Este método possibilita um bom desempenho em termos redução da taxa de distorção harmônica nos sinais de sincronização mesmo na presença de distorções harmônicas, severos desequilíbrios de tensão e variações de freqüência da rede elétrica. Inicialmente, é apresentada uma visão geral sobre os métodos de sincronização em malha aberta aplicados a conversores PWM trifásicos. Em seguida, são abordadas as principais características e limitações do novo método de sincronização em malha aberta proposto. Posteriormente, o método de sincronização proposto é implementado considerando dois casos distintos. O primeiro caso se refere à aplicação do método de sincronização proposto a retificadores PWM trifásicos a três fios. O segundo caso, refere-se à aplicação do método para gerar as eferências de corrente de compensação para filtros ativos de potência paralelos trifásicos a quatro fios. Ao longo desta tese, resultados de simulações e experimentais são apresentados, a fim de que, seja demonstrada a aplicabilidade do método de sincronização em malha aberta proposto em sistemas trifásicos a três fios e a quatro fios.

Este trabalho apresenta o estudo, análise e a implementação de três topologias de condicionadores ativos de energia elétrica, utilizados para a melhoria da qualidade da energia em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. Estes condicionadores de qualidade de energia podem trabalhar tanto como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC), bem como uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), permitindo: (i) a supressão das correntes harmônicas da carga; (ii) a compensação de energia reativa da carga; (iii) compensação dos desequilíbrios das correntes de carga; (iv) a compensação de desequilíbrios de tensão da rede; (v) supressão das tensões harmônicas da rede elétrica; (vi) a regulação das tensões de saída (tensões de carga); e (vii) fornecimento de energia ininterrupta para as cargas críticas (sistema UPS). Dentre as três topologias de UPQC/UPS estudadas, uma delas é proposta neste trabalho com o intuito de reduzir a tensão no barramento CC. Além disso, todas as topologias em estudo são constituídas por dois conversores PWM, nos quais é adotada uma estratégia de controle dual. Desse modo, o conversor colocado em paralelo com a carga, funciona como uma fonte de tensão senoidal, enquanto que o conversor colocado em série entre a rede elétrica e a carga, é controlado para operar como uma fonte de corrente senoidal. Tanto os controladores de tensão, quanto os de corrente são implementados no referencial síncrono dq0. Além disso, a técnica de modulação vetorial espacial tridimensional (3-D-SVM) é empregada nos conversores. Testes experimentais são apresentados para validar o desenvolvimento teórico e verificar o bom desempenho estático e dinâmico dos condicionadores ativos de energia elétrica, operando como UPQC, bem como sistema UPS. / This work presents the study, analysis and implementation of three topologies of active power conditioners, which are used to improve the power quality in three-phase four-wire systems. These power quality conditioner can work as unified power quality conditioner (UPQC), as well as an uninterruptible power supply (UPS) system allowing: (i) suppression of load harmonic currents; (ii) compensation of load reactive power; (iii) load unbalances compensation; (iv) utility voltage unbalances compensation; (v) utility voltage harmonics suppression; (vi) regulation of the output voltages (load voltages); and (vii) uninterruptible power for critical loads when working as UPS system. Among the three topologies of UPQC/UPS studied, one of them is proposed in this work in order to reduce the DC-bus voltage. Besides, all the topologies are comprised of two PWM converters, where a dual control strategy is adopted. The first converter, which is placed in parallel with the load, operates as a sinusoidal voltage source, while the second, which is placed in series between the utility grid and the load, is controlled to operate as a sinusoidal current source. Both the voltage and current controllers are implemented into the synchronous rotating reference frame (dq0-axes). In addition, the series and parallel converters use the three-dimensional space vector modulation (3-D-SVM) technique. The experimental tests are presented to validate the theoretical development and to verify the effective static and dynamic performance of the proposed active power conditioners, operating as UPQC and UPS.

Este trabalho apresenta o estudo, análise e a implementação de três topologias de condicionadores ativos de energia elétrica, utilizados para a melhoria da qualidade da energia em sistemas elétricos trifásicos a quatro fios. Estes condicionadores de qualidade de energia podem trabalhar tanto como um condicionador unificado de qualidade de energia (UPQC), bem como uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS), permitindo: (i) a supressão das correntes harmônicas da carga; (ii) a compensação de energia reativa da carga; (iii) compensação dos desequilíbrios das correntes de carga; (iv) a compensação de desequilíbrios de tensão da rede; (v) supressão das tensões harmônicas da rede elétrica; (vi) a regulação das tensões de saída (tensões de carga); e (vii) fornecimento de energia ininterrupta para as cargas críticas (sistema UPS). Dentre as três topologias de UPQC/UPS estudadas, uma delas é proposta neste trabalho com o intuito de reduzir a tensão no barramento CC. Além disso, todas as topologias em estudo são constituídas por dois conversores PWM, nos quais é adotada uma estratégia de controle dual. Desse modo, o conversor colocado em paralelo com a carga, funciona como uma fonte de tensão senoidal, enquanto que o conversor colocado em série entre a rede elétrica e a carga, é controlado para operar como uma fonte de corrente senoidal. Tanto os controladores de tensão, quanto os de corrente são implementados no referencial síncrono dq0. Além disso, a técnica de modulação vetorial espacial tridimensional (3-D-SVM) é empregada nos conversores. Testes experimentais são apresentados para validar o desenvolvimento teórico e verificar o bom desempenho estático e dinâmico dos condicionadores ativos de energia elétrica, operando como UPQC, bem como sistema UPS. / This work presents the study, analysis and implementation of three topologies of active power conditioners, which are used to improve the power quality in three-phase four-wire systems. These power quality conditioner can work as unified power quality conditioner (UPQC), as well as an uninterruptible power supply (UPS) system allowing: (i) suppression of load harmonic currents; (ii) compensation of load reactive power; (iii) load unbalances compensation; (iv) utility voltage unbalances compensation; (v) utility voltage harmonics suppression; (vi) regulation of the output voltages (load voltages); and (vii) uninterruptible power for critical loads when working as UPS system. Among the three topologies of UPQC/UPS studied, one of them is proposed in this work in order to reduce the DC-bus voltage. Besides, all the topologies are comprised of two PWM converters, where a dual control strategy is adopted. The first converter, which is placed in parallel with the load, operates as a sinusoidal voltage source, while the second, which is placed in series between the utility grid and the load, is controlled to operate as a sinusoidal current source. Both the voltage and current controllers are implemented into the synchronous rotating reference frame (dq0-axes). In addition, the series and parallel converters use the three-dimensional space vector modulation (3-D-SVM) technique. The experimental tests are presented to validate the theoretical development and to verify the effective static and dynamic performance of the proposed active power conditioners, operating as UPQC and UPS.