Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a family of integrated electronic ballasts applied to the public lighting system. The electronic ballasts are designed to supply High-Pressure Sodium lamps according to the desired lamp operation characteristics. The viability of use High-Pressure Sodium lamps in the public lighting system of Santa Maria city is studied along this work. Another topic addressed, is the acoustic resonance phenomenon occurrence. It is explained based on a large number of works previously presented in the literature, in order to choose for a reliable method to supply the lamp. The incremental impedance of the High-Pressure Sodium lamp is defined in the frequency domain. This model is used to analyze the lamp and ballast interaction. The presented integrated electronic ballasts to supply High-Pressure sodium lamps take the advantage of low cost and simplicity providing a stable lamp operation. / Este trabalho apresenta uma proposta de integração de conversores estáticos para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (HPS), baseando-se, fundamentalmente, na viabilidade de aplicação deste tipo de lâmpadas a sistemas de iluminação pública. Ao longo do trabalho, é discutida a viabilidade de aplicação das lâmpadas HPS ao sistema de iluminação pública existente na cidade de Santa Maria- RS, evidenciando os parâmetros técnicos necessários ao projeto e desenvolvimento de reatores eletrônicos. A abordagem do fenômeno da ressonância acústica é feita de forma consistente, avaliando-se trabalhos previamente publicados, a fim de se chegar a um método confiável para se alimentar a lâmpada HPS sem a excitação deste fenômeno. Além disso, uma análise do modelo de pequenos sinais da lâmpada traz uma visão dos principais estágios a serem empregados no reator para garantir um funcionamento estável do sistema. A metodologia de integração proposta para alimentação de lâmpadas HPS, através de reatores eletrônicos, sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica, busca a redução de custos e a simplicidade do sistema, sem deixar de considerar os procedimentos necessários a uma operação estável e confiável.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This thesis presents an electronic ballast prototype to supply high-pressure sodium lamps used in public lighting. The goal is to develop a commercial approach able to replace the still commonly used electromagnetic ballasts, performing improvements in the public lighting system. Along this thesis, the state of art in lighting area is presented, especially in public lighting. Following, a bibliographic review about electronic ballasts to supply highpressure sodium lamps is done. Special attention is given to the low frequency square waveform supplying method, which is used in this thesis. Also, the features desired in electronic ballasts so they can operate the lamp reliably and according to the standards are discussed. From this review, the proposed topology is defined and its design is presented. A discrete control method is developed to guarantee the safe operation of the ballast during all lamp stages. A microcontroller is used to perform the control routines. Finally, experimental results are obtained, validating the proposed work. / Este trabalho apresenta uma proposta de sistematização do projeto de um reator eletrônico para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão, para aplicação em iluminação pública. Com isto, pretende-se criar um dispositivo que venha a substituir os reatores eletromagnéticos, ainda comumente utilizados nesta aplicação, de modo a proporcionar melhorias nos atuais sistemas de iluminação pública. Ao longo deste trabalho, é feita uma revisão do estado da arte na área de iluminação, dando ênfase à iluminação pública. Em seguida, é apresentada uma revisão bibliográfica acerca dos métodos de alimentação de lâmpadas de vapor de sódio a partir de reatores eletrônicos, destacando-se a alimentação deste tipo de lâmpada com forma de onda quadrada em baixa freqüência, método utilizado neste trabalho. Também são discutidas as características que um reator eletrônico deve possuir para enquadrar-se nas normas vigentes e alimentar a lâmpada de forma confiável. A partir desta revisão, a topologia proposta é definida e seu projeto é apresentado. Uma metodologia de controle discreto é desenvolvida de forma a garantir a operação adequada do reator durante todas as etapas de funcionamento da lâmpada. Um microcontrolador é utilizado para executar as rotinas de controle. Finalmente, resultados experimentais são obtidos, de forma a validar o trabalho proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study proposes an auxiliary commutation circuit, applied to a double-conversion uninterruptible power supply, operating with a three-level PWM full-bridge inverter. In order to construct this circuit, we use the concept of integration of auxiliary commutation circuit: the case study of ZVT. The concept of iCAC is not directly applied to three-level PWM inverters. Then, it is necessary the use of classic auxiliary commutation techniques combined with the concept of integration. In this study, it is presented a hybrid auxiliary commutation circuit. Due to the restrictions imposed by the iCAC, just one of the inverter legs can be integrated. To the other inverter leg it is used a conventional auxiliary commutation circuit. The proposed system aims at achieving a better performance if compared to the same uninterruptible power supply operating with a classic ZVT auxiliary commutation circuit. There is also the advantage that all the auxiliary switches operate with ZVS and/or ZCZ soft switching. Through the use of iCAC it is obtained a minimization of circulating reactive energy in the auxiliary commutation circuits and it contributes to increase the global performance of the uninterruptible power supply. The number of additional components is reduced in relation to the classic CAC and, consequently, the system becomes more attractive to the industry. During this study, the analysis of the system and the simulation results are presented. Finally, experimental results are presented, comparing the efficiency of the CAC iZVT proposed system versus the classic CAC ZVT, in order to validate the proposed system. / Este trabalho propõe um circuito de auxílio à comutação, aplicado a uma fonte ininterrupta de energia de dupla conversão, operando com inversor PWM ponte completa modulado em três níveis de tensão. Para obtenção desse circuito, este trabalho utiliza o conceito de integração de circuitos de auxílio à comutação: O estudo do caso ZVT. O conceito de iCAC não é aplicável diretamente a inversores PWM modulados em três níveis de tensão. Dessa forma faz-se necessário a utilização de técnicas clássicas de auxílio à comutação em conjunto com o conceito de integração. A partir deste estudo é proposto um circuito de auxílio à comutação híbrido. Devido às restrições impostas pelo iCAC apenas uma das pernas do inversor pode ser integrada. Para a outra perna do inversor é então utilizado um circuito de auxílio à comutação convencional. O sistema proposto visa obter melhor rendimento em relação à mesma fonte ininterrupta de energia operando com circuito de auxílio à comutação clássicos do tipo ZVT. Há também a vantagem de que todas as chaves auxiliares operam com comutação suave ZVS e/ou ZCS. Com uso do conceito de iCAC é obtida a minimização da energia reativa circulante nos circuitos de auxílio à comutação, o que contribui para elevar o rendimento global da fonte ininterrupta de energia. O número de componentes adicionais é reduzido em relação ao CAC clássico, tornando assim o sistema atrativo à indústria. Ao longo desse estudo, são apresentadas as análises do funcionamento do sistema e resultados de simulação são apresentados. Por fim, resultados experimentais são apresentados, comparando a eficiência do sistema proposto CAC iZVT versus CAC ZVT clássico, para dessa forma validar o sistema proposto.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-25T15:30:19Z No. of bitstreams: 1 rodrigoarrudafelicioferreira.pdf: 7303630 bytes, checksum: 971316c74f1313f54e1c09c837c93e74 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-26T12:05:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodrigoarrudafelicioferreira.pdf: 7303630 bytes, checksum: 971316c74f1313f54e1c09c837c93e74 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-26T12:05:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodrigoarrudafelicioferreira.pdf: 7303630 bytes, checksum: 971316c74f1313f54e1c09c837c93e74 (MD5) Previous issue date: 2015-03-13 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo sobre alguns dos aspectos relacionados às microrredes em corrente contínua, uma alternativa para utilização de fontes renováveis de energia em sistemas de geração distribuída. Considerando que a manutenção da tensão no barramento principal das microrredes, no qual as fontes e as cargas são conectadas, é uma das questões mais importantes para a operação de modo satisfatório destes sistemas, um sistema de controle descentralizado de tensão integrando técnicas de controle por droop de tensão e de controle por modos deslizantes é proposto. Uma microrrede CC de 10 kW conectada à rede CA e composta por arranjos fotovoltaicos e bancos de baterias, dimensionada para atender uma parcela das cargas eletrônicas e de iluminação do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia – Campus Juiz de Fora, é modelada e simulada em tempo real utilizando o conceito de simulação CHIL. Resultados experimentais utilizando controladores externos como dispositivos em teste são utilizados para analisar o comportamento do sistema em diferentes condições e para validação da metodologia proposta. Além disso, é apresentado um estudo das técnicas de análise de estabilidade de tensão para sistemas em corrente contínua. Por fim, é apresentada uma metodologia baseada em síntese de elementos reativos utilizando conversores estáticos para estabilização ativa de sistemas CC simplificados, contendo uma fonte e uma carga do tipo potência constante. / This work presents aspects related to DC microgrids, an alternative way of using renewable energy sources in a decentralized fashion. Whereas the maintenance of the microgrid main bus voltage, in which the sources and loads are connected, is one of the most important issues for the satisfactory operation of these systems, a novel methodology for regulating DC bus voltage integrating voltage droop control and sliding mode control techniques is proposed. A grid-connected 10 kW DC microgrid containing photovoltaic arrays and a battery bank, sized to meet a portion of electronic and lighting loads of the Federal Institute of Education, Science and Technology - Campus Juiz de Fora, is modeled and simulated in real time using the concept of CHIL simulation. Experimental results using external controllers as hardware under test are used to analyze system behavior under different conditions and to validate the proposed methodology. Furthermore, a study regarding voltage stability analysis techniques applied to DC systems is presented. Finally, a methodology based on synthesis of reactive elements using static converters for active stabilization of simplified CC systems, containing one source and one constant power load, is presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis contributes to the analysis, project and implementation of discrete-time controllers based on the Internal Model Principle, aiming to improve the performance of three-leg three-phase PWM inverters with insulating output transformer usually found in the output stage of medium power double-conversion UPS. Initially, an investigation about issues concerning to the discrete-time models of three-phase inverters with space vector modulation and the LC filter have been carried out. This investigation shows the impact of different switching sequences, sampling instants and filter cut-off frequency on the harmonic spectrum of sampled variables used for feedback. This is a concern when the switching frequency is low to limit the switching losses as in medium and high power UPS. In this way, this thesis proposes sampling methods that make possible to reduce the low order harmonics on the interest variables, which is relevant when state feedback is used. These methods allow to obtain discrete-time average linear models useful for the controller design. In addition, the saturation of the insulating transformer is addressed in details. The dc component arising from the digital implementation and from the circuit measures non idealities, and then amplified by an inadequate choice of the controller, may lead the transformer to saturate. In order to solve this problem, and in accordance with the Internal Model Principle, internal models adequate to the plant under consideration as well as discrete-time voltage controllers in stationary and synchronous frames which are not prone to amplify the dc component, are proposed. Another goal of this thesis is the improvement of the UPS output voltage transient response due to linear and non linear load steps. This is obtained considering the sampling methods before mentioned, combined with internal models with reduced number of poles and low sampling rate. It is demonstrated that it is possible to improve significantly the output voltage transient responses, as well as to satisfy the rigorous classification of the standard IEC62040-3 for UPS without degrading the steady state performance. In addition, these control structures have enough stability margins, as proved in each case, and they results in simple and attractive solutions to be implemented in 8 or 16 bits fixed-point arithmetic microcontrollers and DSP with reduced memory space. The feasibility of the proposed solutions is verified with experimental results demonstrating both transient and steady-state performances. Finally, a comparative analysis of the proposed control structures, over the light of the standard IEC62040-3, is presented. / A presente tese de doutorado contribui para a análise, projeto e implementação de controladores discretos baseados no Princípio do Modelo Interno, com o intuito de aprimorar o desempenho de inversores trifásicos PWM a três braços com transformador isolador usualmente utilizados no estágio de saída de UPS de dupla conversão de média potência. Inicialmente se realiza uma investigação sobre os aspectos relacionados à obtenção do modelo discreto de inversores trifásicos com modulação space vector e do filtro de saída. Essa investigação mostra o impacto de diferentes seqüências de comutação, instantes de amostragem e freqüência de corte do filtro no conteúdo harmônico das variáveis amostradas usadas para realimentação. Isso é uma preocupação quando a freqüência de comutação é baixa para limitar as perdas em UPS de média e alta potência. Nesse sentido essa tese propõe métodos de amostragem que possibilitam reduzir as harmônicas de baixa ordem nas variáveis de interesse o que adquire importância quando se realiza a realimentação dos estados da planta. Esses métodos permitem a obtenção de modelos médios lineares úteis para o projeto do controlador. Além disso, a saturação do transformador de isolação é analisada em detalhe. A componente contínua oriunda da implementação digital e das não idealidades dos circuitos de medição, e amplificada por uma escolha inadequada do controlador, pode levar o transformador à saturação. Com o intuito de solucionar esse problema, e de acordo com a teoria do Princípio do Modelo Interno, são propostos modelos internos adequados à planta em questão bem como controladores discretos de tensão em eixos estacionários e síncronos, que não tem tendência a amplificar a componente contínua. Outro dos objetivos dessa tese é o aprimoramento da resposta transitória das tensões de saída da UPS na presença de degraus de carga linear e não linear. Isso é obtido considerando-se os métodos de amostragem mencionados acima, combinado com modelos internos com número de pólos e taxa de amostragem reduzidos. Demonstra-se que é possível aprimorar significativamente a resposta transitória das tensões de saída bem como satisfazer a exigente classificação da norma IEC62040-3 para UPS, sem degradar o desempenho de regime permanente. Além disso, essas estruturas de controle possuem suficiente margem de estabilidade, como provado em cada caso, e estas resultam em soluções simples e atrativas para serem implementadas em microcontroladores e DSP de aritmética de ponto fixo, com palavras de 8 e 16 bits e capacidade reduzida de memória. A viabilidade prática das propostas realizadas é verificada com resultados experimentais em regime permanente e transitório. Finalmente, apresenta-se uma análise comparativa das estruturas de controle propostas, sob o enfoque da norma IEC62040-3.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T12:01:24Z No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-22T18:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T18:36:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) Previous issue date: 2017-11-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este documento apresenta uma nova técnica para a minimização da ondulação de baixa frequência, típica de conversores para o acionamento de LEDs alimentados a partir da rede elétrica. Esta estratégia baseia-se na modulação em baixa frequência da razão cíclica do conversor de modo que a ondulação de corrente possa ser reduzida e, consequentemente, as capacitâncias de filtragem do conversor possam ser minimizadas. Esta técnica foi desenvolvida para a aplicação em conversores de malha única, como é o caso de conversores de estágio único ou mesmo dois estágios integrados. A modulação da razão cíclica é projetada de maneira que o comportamento de baixa frequência das principais variáveis do conversor seja alterado, permitindo uma redução da ondulação da corrente de saída ao custo de um incremento cotrolado no conteúdo harmônico da corrente de entrada. Duas possíveis metodologias para a implementação da técnica proposta são discutidas ao longo do trabalho. A primeira envolve a injeção de harmônicas específicas no sinal da razão cíclica do conversor através de ramos adicionais na estrutura de controle. Esta abordagem foi aplicada para projetar um controlador de LEDs baseado em um conversor flyback e também em uma topologia integrada baseada na conexão cascata de dois conversores Buck-boost. Este estudo inicial foi expandido para outros conversores e uma análise generalizada acerca da influência da modulação da razão cíclica no comportamento de controladores de LED alimentados a partir da rede elétrica é apresentada. A segunda metodologia para a implementação da compensação ativa da ondulação de baixa frequência do conversor é baseada na otimização de um controlador proporcional-integral a fim de que tal elemento influencie não só no comportamento dinâmico do circuito, mas também na característica de baixa frequência do conversor. Por fim são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas / This document presents a novel approach for low-frequency output current ripple minimization in off-line light-emitting diode (LED) drivers. This strategy is based on the large-signal modulation of the duty-cycle so that the output ripple can be reduced and, consequently, the required filtering capacitances of the converter can be somehow decreased. This technique is devised to be used on converters in which a single control loop is employed, such as off-line single-stage or integrated converters. The duty-cycle modulation is used to change the shape of the main waveforms of the converter, especially the input and output currents. This allows for a reduction of the output current peak-to-peak ripple while the harmonic content of the input current is increased but kept within the limits imposed by the IEC standard. Two methodologies for implementing the proposed technique are discussed along the text. The first one is related to the injection of harmonic components to the duty cycle signal by means of additional branches inserted in the conventional control structure. This approach was applied to design an off-line flyback-based LED driver and also a circuit based on the Integrated Double Buck-boost converter. This first study was expanded to other topologies and a generalized analysis regarding the impact of the duty cycle modulation on off-line converters is then presented. The second methodology for implementing the ripple compensation is based on the optimization of a proportional-integral controller so that this element is designed to influence not only in the dynamic behavior of the circuit, but also in its low-frequency characteristic. Finally, the main contributions of this work are discussed and the proposals for future works are presented.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-07-12T12:29:15Z No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 11306492 bytes, checksum: 80bd2f9ab4af41e3889b7bc91e4391b9 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-13T16:48:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 11306492 bytes, checksum: 80bd2f9ab4af41e3889b7bc91e4391b9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T16:48:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedrosantosalmeida.pdf: 11306492 bytes, checksum: 80bd2f9ab4af41e3889b7bc91e4391b9 (MD5) Previous issue date: 2012-03-23 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta um estudo acerca da alimentação de diodos emissores de luz (LEDs) a partir da rede elétrica empregando conversores eletrônicos com correção do fator de potência. O estudo visa o desenvolvimento de um conversor que pode ser aplicado em iluminação pública, que atenda às demandas típicas de alto fator de potência, alta eficiência, reduzido número de componentes, baixa distorção harmônica da corrente de entrada e possa atingir uma elevada vida útil, através da substituição de capacitores eletrolíticos no circuito de potência por capacitores de filme. É proposta uma nova topologia de conversor para implementar tal acionamento, baseado em uma integração entre dois estágios, que passam a compartilhar um único interruptor estático. Os conversores SEPIC e buck-boost operando em modo de condução descontínua (DCM) são escolhidos para compor cada um destes estágios, atuando o primeiro na correção do fator de potência e o segundo na regulação de corrente na carga. Uma metodologia de projeto que visa excluir os capacitores eletrolíticos é desenvolvida, partindo de dados fotométricos que permitem aplicar nos LEDs uma ondulação limite de 50% em amplitude, sem causar prejuízos ao seu desempenho fotométrico. Um protótipo de 70 W é apresentado, cujos resultados experimentais demonstram alto fator de potência (0,998), baixa distorção harmônica de corrente (3,2%) e alta eficiência (90,2%), enquanto empregando somente capacitores de filme metalizado, de longa vida útil, no circuito de potência. Uma abordagem das possibilidades de se implementar um controlador digital para o novo conversor proposto é feita, partindo de um modelo de pequenos sinais para o conversor operando em DCM. / This work presents a study regarding the feeding of light-emitting diodes (LEDs) from mains (grid power) employing electronic drivers with power factor correction. The study aims the development of an LED driver which can be applied to public and street lighting, complying with the typical demands of high power factor, high efficiency, reduced component count, low total harmonic distortion (THD) of input current and which can attain long lifespan, through the substitution of electrolytic capacitors within the power circuit by film capacitors. It is proposed a new converter topology to implement such driver, based on an integration between two stages which share a common static power switch. The SEPIC and buck-boost converters operating in discontinuous conduction mode (DCM) are chosen to make up each of these two stages, the first acting as a power factor corrector and the second as a load currentcontrolling stage. A design methodology which aims the exclusion of electrolytic capacitors is developed, stemming from photometric data which allow the LEDs to be operated with current ripples up to 50% in amplitude, without causing any harm to their photometric performance. A 70 W prototype is presented, whose experimental results demonstrate high power factor (0.998), low current harmonic distortion (3.2%) and high efficiency (90.2%), while employing only long-life metallised-film capacitors on the power circuit. An approach to the possibilities of implementing a digital controller for the proposed novel converter is done, starting from a small-signal model for the converter operating in DCM.