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.

FUMDES/UNIEDU; FITEJ; / Este trabalho apresenta a concepção de estruturas eletrônicas que podem ser utilizadas para a leitura de tensão e de corrente em conversores estáticos de energia, chaveados ou não, que trabalham em frequências superiores a 100 kHz, em especial as frequências eletrocirúrgicas (300 kHz..5 MHz). Além das estruturas de leitura, também a potência instantânea e a potência ativa são determinadas de forma analógica, possibilitando o futuro desenvolvimento de um sistema de controle da potência ativa de saída de um equipamento eletrocirúrgico. O objetivo é apresentar uma estrutura cuja reatância seja desprezível na faixa de frequências considerada, ou cujo efeito possa ser compensado, possibilitando a criação de circuitos amostradores de sinais complexos, de alta frequência, com um baixo custo de implementação, e usar estas amostras para determinar a potência ativa entregue. Um breve estudo das características reais dos resistores axiais de sinal (resistores com corpo cilíndrico, revestido por um filme de carbono ou filme metálico e com fixação por terminais através de furos na placa de circuito impresso, do inglês Pin Through Hole - PTH), de superfície (Surface Mounted Device - SMD) e resistores de potência de fio também é apresentado. Em seguida, dois modelos simplificados, porém realísticos, são apresentados, sendo um para resistências inferiores a 100 Ohms (Ω) e outro para resistências superiores a 100 Ω. Na sequência, um sistema analógico que realiza a amostragem dos sinais de tensão e de corrente de saída é proposto, bem como um sistema que determina a potência ativa em tempo real. Cada sistema é desenvolvido e testado individualmente, sendo que os resultados validados de um estágio são utilizados para aferir a eficácia do estágio subsequente. Ao final, o conjunto é testado, por meio de uma sequência de ensaios, cujos resultados são analisados e as considerações acerca do sistema como um todo são apresentadas, enfatizando que o erro máximo no cálculo da potência ativa ficou abaixo de 20%, como exige a norma NBR IEC 60601-2-2, assim como o baixo custo de implementação foi alcançado. Por fim, estes resultados mostram uma maneira viável de implementar um sistema de medição de potência ativa para saídas de equipamentos eletrocirúrgicos. / This work presents the design of electronic structures that can be used for voltage and current probing in static power converters, switched or not, which work at frequencies above 100 kHz, in particular electrosurgical frequencies (300 kHz..5 MHz). In addition, also the instantaneous power and the active power are determined analogically, allowing the development of a control system that stabilizes active output power of an electrosurgical unit. The purpose of this work is to find a structure with neglectable reactance in the frequency band considered, or compensate them, creating low cost sampler circuits for complex high frequency signals. A brief study of Pin Through Holes (PTH) signal resistors, Surface Mounted Devices (SMD) signal resistor, and power wire resistors above 100 Ω characteristics is presented. Two realistic simplified models are proposed. One for signal resistances lower than 100 Ω and power wire resistors lower than 100 Ω. Another one for signal resistance greater than 100 Ω. Further, an analog system for reading the output voltage and current are proposed as well as one for real time active power determination. Each system is individually designed and tested. Validated results of one stage are used to assess the effectiveness of the subsequent stage. In the end, the full circuit is tested, and the results are analyzed demonstrating that a lower than 20% error is achieved as well as the low implementation cost. Finally, these results show a way to implement an active power measurement system for electrosurgical units that is unprecedented up to now.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um modelo analógico dinâmico do IGBT 2MBI1200U4G-170 para simulação SPICE para a análise de tempos de comutação, perdas e corrente de carga. Este desenvolvimento foi motivado pelo fato de não se dispor de modelos prontos para IGBT para faixas de tensão e corrente na ordem de kV e kA, destinado ao projeto de um conversor CC para controle de motores de tração em locomotivas diesel-elétricas. Como parte do processo se fez uma tentativa de modificação do modelo padrão de IGBT da plataforma Cadence Orcad 16.5, baseada nos trabalho de Hefner, considerada uma forma de modelo físico. Verificou-se que o correto levantamento dos dados para o modelo físico não seria compensatório frente às análises desejadas, o que gerou necessidade por outras formas de modelagem. Decidiu-se por um modelo analógico, obtido com dados do catálogo do componente descritos em tabelas e como fontes de tensão e corrente. Os resultados mostraram-se adequados para projeto térmico, análise de formas de onda e corrente de porta e coletor. A simulação é comparada com curvas da documentação do fabricante e com dados obtidos a partir de testes estáticos em laboratório com duas topologias. Testes foram feitos com tensão de entrada de 74V, 300V, 900V e 1000V, frequências de comutação de 200Hz, 416Hz, 1kHz e 2kHz e correntes de carga de até 1400A. A corrente de carga apresentou diferenças de até 3% com a medida em laboratório e a temperatura divergiu em até 7% com a medida no dissipador do protótipo usado. / This paper presents the design report for an analog IGBT SPICE model, part number 2MBI1200U4G-170. The modeling was perceived as a interesting tool in order to analyze the switching times and losses during the development, not performed at the University, of a chopper DC-DC converter used for current control of traction motors of diesel-electric locomotives. The main motivational factor was that an practical and quick approach was wanted and none standard model was found for the intended IGBT part number. As part of the process, an attempt to modify the standard SPICE model of the Cadence Orcad 16.5, which is a physics model based on Hefner works, was made. It was verified that the correct data collecting for the standard model would not be compensatory, so other modeling techniques were needed. It was decided an analog modeling would be used. The modeling achieved uses no more than the information found on the component datasheet described in tables format, voltage and current sources. The validation was done in two different topologies with load currents up to 1400A, switching frequencies of 200Hz, 416Hz, 1kHz and 2kHz and input voltages of 74V, 300V, 900V and 1000V . Comparatives were done with the vendor catalog and laboratory data. The model is satisfactory for heat, collector and gate currents analysis. The simulation current and temperature results showed differences up to 3% and 7%, respectively, when compared to laboratories measurements.

Neste trabalho é apresentado um estudo de controladores aplicados a retificadores boost pré reguladores de alto fator de potência. A estratégia convencional, mais utilizada, é o controle por valores médios instantâneos que apresenta uma malha de corrente rápida e uma malha de tensão lenta. A frequência de corte desta última malha é baixa devido a ondulação de tensão de saída no dobro da frequência da rede que deve existir para apresentar uma corrente de entrada com baixa distorção harmônica. Esses controles apresentam um sobressinal elevado e transição lenta durante transitórios de carga, levando a elevação da tensão dos capacitores de saída. A técnica apresentada é um controlador digital com feedforward de potência de saída associado a uma malha de realimentação direta, também conhecido como autocontrole. Essa estratégia possibilita melhores resultados nos transitórios de carga possibilitando redução do capacitor de saída com reduzido sobressinal no transitório de carga. / In this work a study applied in controlled boost rectifiers with high power factor is presented. A most widely used conventional control strategy is the instant average current control, this kind of control have a fast current loop and a slow voltage loop.The cutoff frequency of the voltage loop is low because the output voltage ripple must be twice the frequency of the input network, that need to exist to provide an input current with low harmonic distortion. These controllers feature a high overshoot and a slow transition during the transient load what leads a high voltage in the output capacitors. The developed technique is a digital controller that operate with a feedforward output power associated with one cycle control. This strategy provides better results in the load transient, reducing the overshoot and alloying a reduction of the output capacitor.

FUMDES/UNIEDU; FITEJ; / Este trabalho apresenta a concepção de estruturas eletrônicas que podem ser utilizadas para a leitura de tensão e de corrente em conversores estáticos de energia, chaveados ou não, que trabalham em frequências superiores a 100 kHz, em especial as frequências eletrocirúrgicas (300 kHz..5 MHz). Além das estruturas de leitura, também a potência instantânea e a potência ativa são determinadas de forma analógica, possibilitando o futuro desenvolvimento de um sistema de controle da potência ativa de saída de um equipamento eletrocirúrgico. O objetivo é apresentar uma estrutura cuja reatância seja desprezível na faixa de frequências considerada, ou cujo efeito possa ser compensado, possibilitando a criação de circuitos amostradores de sinais complexos, de alta frequência, com um baixo custo de implementação, e usar estas amostras para determinar a potência ativa entregue. Um breve estudo das características reais dos resistores axiais de sinal (resistores com corpo cilíndrico, revestido por um filme de carbono ou filme metálico e com fixação por terminais através de furos na placa de circuito impresso, do inglês Pin Through Hole - PTH), de superfície (Surface Mounted Device - SMD) e resistores de potência de fio também é apresentado. Em seguida, dois modelos simplificados, porém realísticos, são apresentados, sendo um para resistências inferiores a 100 Ohms (Ω) e outro para resistências superiores a 100 Ω. Na sequência, um sistema analógico que realiza a amostragem dos sinais de tensão e de corrente de saída é proposto, bem como um sistema que determina a potência ativa em tempo real. Cada sistema é desenvolvido e testado individualmente, sendo que os resultados validados de um estágio são utilizados para aferir a eficácia do estágio subsequente. Ao final, o conjunto é testado, por meio de uma sequência de ensaios, cujos resultados são analisados e as considerações acerca do sistema como um todo são apresentadas, enfatizando que o erro máximo no cálculo da potência ativa ficou abaixo de 20%, como exige a norma NBR IEC 60601-2-2, assim como o baixo custo de implementação foi alcançado. Por fim, estes resultados mostram uma maneira viável de implementar um sistema de medição de potência ativa para saídas de equipamentos eletrocirúrgicos. / This work presents the design of electronic structures that can be used for voltage and current probing in static power converters, switched or not, which work at frequencies above 100 kHz, in particular electrosurgical frequencies (300 kHz..5 MHz). In addition, also the instantaneous power and the active power are determined analogically, allowing the development of a control system that stabilizes active output power of an electrosurgical unit. The purpose of this work is to find a structure with neglectable reactance in the frequency band considered, or compensate them, creating low cost sampler circuits for complex high frequency signals. A brief study of Pin Through Holes (PTH) signal resistors, Surface Mounted Devices (SMD) signal resistor, and power wire resistors above 100 Ω characteristics is presented. Two realistic simplified models are proposed. One for signal resistances lower than 100 Ω and power wire resistors lower than 100 Ω. Another one for signal resistance greater than 100 Ω. Further, an analog system for reading the output voltage and current are proposed as well as one for real time active power determination. Each system is individually designed and tested. Validated results of one stage are used to assess the effectiveness of the subsequent stage. In the end, the full circuit is tested, and the results are analyzed demonstrating that a lower than 20% error is achieved as well as the low implementation cost. Finally, these results show a way to implement an active power measurement system for electrosurgical units that is unprecedented up to now.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um modelo analógico dinâmico do IGBT 2MBI1200U4G-170 para simulação SPICE para a análise de tempos de comutação, perdas e corrente de carga. Este desenvolvimento foi motivado pelo fato de não se dispor de modelos prontos para IGBT para faixas de tensão e corrente na ordem de kV e kA, destinado ao projeto de um conversor CC para controle de motores de tração em locomotivas diesel-elétricas. Como parte do processo se fez uma tentativa de modificação do modelo padrão de IGBT da plataforma Cadence Orcad 16.5, baseada nos trabalho de Hefner, considerada uma forma de modelo físico. Verificou-se que o correto levantamento dos dados para o modelo físico não seria compensatório frente às análises desejadas, o que gerou necessidade por outras formas de modelagem. Decidiu-se por um modelo analógico, obtido com dados do catálogo do componente descritos em tabelas e como fontes de tensão e corrente. Os resultados mostraram-se adequados para projeto térmico, análise de formas de onda e corrente de porta e coletor. A simulação é comparada com curvas da documentação do fabricante e com dados obtidos a partir de testes estáticos em laboratório com duas topologias. Testes foram feitos com tensão de entrada de 74V, 300V, 900V e 1000V, frequências de comutação de 200Hz, 416Hz, 1kHz e 2kHz e correntes de carga de até 1400A. A corrente de carga apresentou diferenças de até 3% com a medida em laboratório e a temperatura divergiu em até 7% com a medida no dissipador do protótipo usado. / This paper presents the design report for an analog IGBT SPICE model, part number 2MBI1200U4G-170. The modeling was perceived as a interesting tool in order to analyze the switching times and losses during the development, not performed at the University, of a chopper DC-DC converter used for current control of traction motors of diesel-electric locomotives. The main motivational factor was that an practical and quick approach was wanted and none standard model was found for the intended IGBT part number. As part of the process, an attempt to modify the standard SPICE model of the Cadence Orcad 16.5, which is a physics model based on Hefner works, was made. It was verified that the correct data collecting for the standard model would not be compensatory, so other modeling techniques were needed. It was decided an analog modeling would be used. The modeling achieved uses no more than the information found on the component datasheet described in tables format, voltage and current sources. The validation was done in two different topologies with load currents up to 1400A, switching frequencies of 200Hz, 416Hz, 1kHz and 2kHz and input voltages of 74V, 300V, 900V and 1000V . Comparatives were done with the vendor catalog and laboratory data. The model is satisfactory for heat, collector and gate currents analysis. The simulation current and temperature results showed differences up to 3% and 7%, respectively, when compared to laboratories measurements.

Neste trabalho é apresentado um estudo de controladores aplicados a retificadores boost pré reguladores de alto fator de potência. A estratégia convencional, mais utilizada, é o controle por valores médios instantâneos que apresenta uma malha de corrente rápida e uma malha de tensão lenta. A frequência de corte desta última malha é baixa devido a ondulação de tensão de saída no dobro da frequência da rede que deve existir para apresentar uma corrente de entrada com baixa distorção harmônica. Esses controles apresentam um sobressinal elevado e transição lenta durante transitórios de carga, levando a elevação da tensão dos capacitores de saída. A técnica apresentada é um controlador digital com feedforward de potência de saída associado a uma malha de realimentação direta, também conhecido como autocontrole. Essa estratégia possibilita melhores resultados nos transitórios de carga possibilitando redução do capacitor de saída com reduzido sobressinal no transitório de carga. / In this work a study applied in controlled boost rectifiers with high power factor is presented. A most widely used conventional control strategy is the instant average current control, this kind of control have a fast current loop and a slow voltage loop.The cutoff frequency of the voltage loop is low because the output voltage ripple must be twice the frequency of the input network, that need to exist to provide an input current with low harmonic distortion. These controllers feature a high overshoot and a slow transition during the transient load what leads a high voltage in the output capacitors. The developed technique is a digital controller that operate with a feedforward output power associated with one cycle control. This strategy provides better results in the load transient, reducing the overshoot and alloying a reduction of the output capacitor.

Experimental research on high-power converters, particularly in an academic environment, faces severe infrastructural constraints. Usually, power source and loads of required ratings are not available. Further, more importantly, the energy consumption is huge. One possibility is to establish an experimental research platform, comprising of a network of high-power converters, through which power is circulated and which draws only the losses from the mains. This work deals with the establishment of a circulating power test set-up, comprising of two line-side PWM converters, inclusive of control and modulation methods for the two converters. Two types of circulating power test setups are developed. In the first setup, the converters are connected in parallel, on ac as well as dc sides, such that real and/or reactive power is circulated between them. In the second test setup, the dc buses of the converters are separated; hence, only reactive power circulation is possible. These setups are used to conduct heat-run tests with low energy expenditure on the PWM converters at various operating conditions up to power levels of 150 kVA. Further, these are used to validate analytically-evaluated thermal characteristics of high-power PWM converters. A safe thermal limit is derived for such converters in terms of apparent power (kVA) handled, power factor and switching frequency. The effects of voltage sag and of unequal current sharing between parallel IGBT modules on the safe thermal limit are studied. While the power drawn by the circulating-power setup from the grid is much lower than the ratings of the individual converters, the harmonic injection into the mains by the setup could be significant since the harmonics drawn by both converters tend to add up. This thesis investigates carrier interleaving to improve the waveform quality of grid current, drawn by the circulating-power test setup. The study of carrier interleaving is quite general and covers various applications of parallel-connected converters such as unity power factor rectification, static reactive power compensation and grid-connected renewable energy systems. In literature, carrier interleaving has been employed mainly for unity power factor rectifiers, sharing a common dc load equally. In such case, the fundamental components of the terminal voltages of the parallel converters are equal. However, when the power sharing between the two converters is unequal, or when power is circulated between the two converters, the terminal voltages of the two converters are not equal. A method to estimate rms grid current ripple, drawn by parallel-connected converters with equal and/or unequal terminal voltages, in a synchronous reference frame is presented. Further, the influence of carrier interleaving on the rms grid current ripple is studied. The optimum interleaving angle, which minimizes the rms grid current ripple under various applications, is investigated. This angle is found to be a function of modulation index of the converters in the equal terminal voltages case. In the unequal terminal voltages case, the optimum interleaving angle is shown to be a function of the average modulation index of the two parallel converters. The effect of carrier interleaving is experimentally studied on the reactive power circulation setup at different values of kVA and different dc bus voltages. The grid current ripple is measured for different values of interleaving angle. It is found experimentally that the optimum interleaving angle reduces the rms grid current ripple by between 37% and 48%, as compared without interleaving, at various operating conditions. Further, the reactive power circulation test set-up is used to evaluate and compare power conversion losses corresponding to different PWM techniques such as conventional space-vector PWM (CSVPWM), bus-clamping PWM (BCPWM) and advanced bus-clamping PWM methods for static reactive power compensator (STATCOM) application at high power levels. It is demonstrated theoretically as well as experimentally that an advanced bus-clamping PWM method, termed minimum switching loss PWM (MSLPWM), leads to significantly lower power conversion loss than CSVPWM and BCPWM techniques at a given average switching frequency.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis proposes a family of non-isolated bidirectional converter in order to interface dc and ac variables. Such power electronics solutions guarantee: (i) bidirectional power flow between dc and ac converter sides, (ii) independent control in both converter sides, (iii) high level of integration with a reduction of one power switch and its drive circuits, (iv) implementation of two functions by using a unique power conversion stage and (v) reduction of the capacitor losses. Despite proposing new power converter solutions, this thesis presents an analysis of the converters in terms of pulse-width-modulation (PWM) strategy, dc-link capacitor variables, and suitable a control approach. Solutions for single-phase, three-phase and three-phase four-wire systems are proposed by employing a converter leg with three switches. A possible application of this converter is in Vehicle-to-Grid (V2G) systems and interfacing dc microgrid with a utility grid. In addition to the new power electronics converters proposed in this thesis, an experimental setup has been developed for validation of the simulated outcomes. The proof-of-concept experimental setup is constituted by: DSP, Drivers & Integrating Board, Power Supply and, Power Converter & Heat-Sink .

This Diploma work is concerned with the design of project documentation for discharging shakeout machine electric installation. This work continues in the Semestral project 2 in which the background of a new machine was made. Then, this work deals with the replacement of a switch room with required devices including the design of a new connecting cables and power streams. In the first part, the work deals with the control part of the device and the design of control and signal cables including the product documentation of the device. In the second part, the work deals with the proposal of building electro installation in which a new lighting and its use is described. The last part focuses on the coordination during the realization of a suggested device. In this part, all problems coming from the particular working procedures including a proposal of possible solutions are described. According to the project documentation and following realization, the documentation of final concept reflecting the real status of the device is described.