Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: The development of fast and efficient processors, programmable devices and high power semiconductors has led to the increased use of semiconductors directly in the power supply path in order to achieve strict power quality standards. New and advanced algorithms are used in the process and calculated on-line to bring about the required fast response to voltage variations. Losses in high voltage semiconductors increase with increased operating frequencies. A balance between semiconductor power losses and power quality is achieved through control of power semiconductor switching frequencies. A predictive control algorithm to achieve high power quality and limit the power losses in the high power semiconductor switches through switching frequency control is discussed for a tap switched voltage regulator. The quality of power, voltage regulator topology and the control algorithm are discussed. Simulation results of output voltage and current are shown when the control algorithm is used to control the regulator. These results are verified by practical measurements on a synchronous buck converter. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwikkeling van vinnige en doeltreffende verwerkers, programmeerbare toestelle en hoëdrywings halfgeleiers het gelei tot 'n groter gebruik van halfgeleiers direk in die kragtoevoer pad om streng elektriese toevoer kwaliteit standaarde te bereik. Nuwe en gevorderde algoritmes word gebruik in die proses en word aan-lyn bereken om die nodige vinnige reaksie tot spanningswisselinge te gee. Verliese in hoë-spannings halfgeleiers verhoog met hoër skakel frekwensies. 'n Balans tussen die halfgeleier drywingsverliese en spanningskwalteit is behaal deur die skakel frekwensie in ag te neem in die beheer. 'n Voorspellinde-beheer algoritme om ‘n hoë toevoerkwaliteit te bereik en die drywingsverliese in die hoëdrywingshalfgeleier te beperk, deur skakel frekwensie te beheer, is bespreek vir 'n tap-geskakelde spanning reguleerder. Die toevoerkwaliteit, spanningsreguleerder topologie en die beheer algoritme word bespreek. Simulasie resultate van die uittree-spanning en stroom word getoon wanneer die beheer algoritme gebruik word om die omsetter te beheer. Hierdie resultate is deur praktiese metings op 'n sinkrone afkapper.

Este trabalho apresentou a análise e a implementação prática do conversor CC-CC trifásico série ressonante operando no modo ZCS. A estrutura deste conversor foi modificada a fim de gerar um barramento CC isolado em alta frequência com tensões simetricamente divididas. Com base na teoria de retificadores multipulsos, a ponte de Graetz do estágio de saída do conversor CC-CC foi substituída por dois retificadores trifásicos, em ponte completa, conectados em série. O transformador isolador também necessitou de alterações, no sentido de alimentar isoladamente esses retificadores, conferindo independência ao funcionamento dos mesmos. Com isso, conseguiu-se grampear cada uma das saídas dos retificadores em uma tensão proporcional a tensão de alimentação do conversor, sem o uso de controladores. Nesse aspecto, o objetivo de gerar um barramento simétrico, propício à alimentação de inversores multiníveis do tipo NPC foi plenamente satisfeito. Demonstrou-se que a estratégia de geração de um barramento com tensões simetricamente divididas pode ser estendida a inversores com mais do que três níveis, caso do NPC. Todos os resultados teóricos foram confirmados através da implementação de um protótipo de 2 kW que atingiu um rendimento superior a 95%. / This work presents the analysis and practical implementation of the three-phase resonant series CC-CC converter operating in ZCS mode. The structure of this converter has been modified in order to generate a DC bus insulated at high frequency with symmetrically divided voltages. Based on the theory of multipulse rectifiers, the Graetz bridge of the output stage of the DC-DC converter has been replaced by two full-bridge three-phase rectifiers connected in series. The isolating transformer also needed changes, in the sense of feeding these rectifiers in isolation, giving independence to the operation of the same. As a result, each of the rectifier outputs was stapled to a voltage proportional to the drive voltage, without the use of controllers. In this respect, the objective of generating a symmetrical bus, suitable for feeding NPC multilevel inverters, was fully satisfied. It has been shown that the strategy of generating a bus with symmetrically divided voltages can be extended to inverters with more than three levels, in the case of the NPC. All theoretical results were confirmed by the implementation of a 2 kW prototype that achieved an efficiency of over 95%.

A presente dissertação tem como objetivo principal propor um conversor bridgeless SEPIC trifásico com elevado fator de potência, baseado em um conversor monofásico apresentado em Costa (2015). Como objetivo secundário e a fim de assimilar o funcionamento do conversor, é estudado o conversor monofásico e então é proposta uma modulação alternativa para comando dos transistores. Outro objetivo secundário é a aplicação do retificador proposto em um sistema de aerogerador de pequeno porte (AGPP), a fim de que este conversor possa processar a energia elétrica gerada sendo proposta também uma metodologia de controle de maximização da potência gerada (MPPT). No desenvolvimento do retificador monofásico é apresentada a análise teórica com cada modulação e posterior equacionamento. Posteriormente, são mostrados os resultados de simulação e experimentais para as duas modulações, podendo-se comparar rendimento, THD e fator de potência. As condições nominais para o conversor monofásico são: tensão eficaz de entrada de 220 V, tensão de saída de 200 V, frequência de comutação de 50 kHz e potência de saída de 500 W. Contextualizando a aplicação do retificador trifásico, é apresentado o funcionamento de um sistema de geração eólica, onde primeiramente tem-se uma introdução dos principais conceitos de energia eólica, seguido de um panorama do aproveitamento da energia eólica no mundo e no Brasil. Em seguida pode-se ver o funcionamento dos sistemas eólicos, apresentando as turbinas e geradores utilizados. Então, propõe-se um modelo, baseado em um retificador trifásico bridgeless SEPIC PFC em MCD processando a energia proveniente do aerogerador. O conversor proposto é então simulado e implementado, utilizando o método MPPT para controlá-lo, a fim de comprovar o modelo e a teoria proposta. As especificações para o conversor trifásico são: tensão eficaz de entrada de 90 V, tensão de saída de 250 V, frequência de comutação de 25 kHz e potência de saída de 1500 W. / The main objective of this dissertation is to propose a three-phase bridgeless SEPIC PFC rectifier, based on a single-phase converter presented in Costa (2015). As a secondary objective and in order to assimilate the operation of the converter, the single-phase converter is studied, and an alternative modulation is proposed for controlling the transistors compared with a traditional PWM modulation, in order to obtain results that justify or not its use in the converter proposed. Another secondary objective is the application of the proposed rectifier in a small-scale wind turbine system, in order that this converter can process the electric energy generated; also is proposed a methodology of control of maximization (MPPT) of generated power. To develop this study, is presented the theoretical analysis with each modulation, followed by design equations. Subsequently are shown the results of numerical simulation and experimental for the two modulations, being able to compare efficiency, THD and power factor. The nominal conditions for the single-phase converter are: rms input voltage of 220 V, output voltage of 200 V, switching frequency of 50 kHz and output power of 500 W. Contextualizing the application of the three-phase rectifier: has an introduction of the main wind power concepts, followed by an overview of wind energy in the world and in Brazil. Then one can see the operation of wind turbines and electrical generators. Next, is propose a system based on a three-phase bridgeless PFC SEPIC rectifier in DCM processing the energy from the wind turbine. This proposed model is then simulated and implemented using the MPPT method to control it, to prove the model and the proposed theory. The specifications for the three-phase converter are: rms input voltage of 90 V, output voltage of 250 V, switching frequency of 25 kHz and output power of 1500 W.

Fundação Araucária / Este trabalho apresenta o estudo, projeto e simulação de um conversor CC boost, com controle da tensão de saída utilizando redes neurais. O conversor boost estudado neste trabalho está sendo utilizado em um aerogerador de baixa potência, com potência máxima de 3kW. Devido à operação em velocidade variável do aerogerador, a tensão de entrada no conversor também é variável em uma ampla faixa de operação, e a saída deve ser estabilizada para uma tensão fixa. Isso faz com que haja a necessidade do controle do conversor para que as diferenças na tensão de entrada sejam compensadas. Para a compensação dessa diferença, foi projetado um controlador utilizando o método de lugar das raízes. A modelagem do conversor boost também é apresentada. O controlador fornece o tempo de atuação da chave semicondutora de potência utilizada no conversor, controlando assim a tensão de saída. A variação na tensão de entrada, que pode variar de 50V a 350V, faz com que o controlador não atue de forma otimizada para todos os pontos de operação. Dessa forma, um controlador neural foi projetado para que trabalhe como controlador, compensando distúrbios de tensão de entrada do conversor. A validação dos controles foi efetuada através de simulação utilizando o software Matlab/Simulink, para confirmação do desenvolvimento teórico apresentado no trabalho. / This work presents the study, design and simulation of a DC boost converter with output voltage control using neural networks. The boost converter studied in this work is being used in a wind turbine low power, with maximum power of 3kW. Due to the operation of the variable speed of the wind turbine, the input voltage of the converter is also variable over a wide operating range, and the output must be stabilized to a fixed voltage. This means that there is a need to control the converter so that differences in input voltage are compensated. To compensation this difference, a controller was designed using the root locus method. The modeling of the boost converter is also presented. The controller provides the time of operation of power semiconductor switch used in the converter, thereby controlling the output voltage. The variation in input voltage, which can vary from 50V to 350V, makes the driver does not act optimally for all operating points. Thus, a neural controller is designed to work as a controller, compensating disturbances of the converter input voltage. The validation of this controller was performed by simulation using Matlab / Simulink software, to confirm the theoretical development presented in the work.

Este trabalho apresenta o estudo, projeto e análise de um conversor monofásico-trifásico com compensação ativa de potência série-paralela, o qual é denominado de UPQC-Mono-Tri e indicado para aplicações em sistemas de eletrificação rurais monofásicos. O UPQC-Mono-Tri é composto por dois inversores PWM, um monofásico operando como filtro ativo de potência série (FAPS) e outro trifásico, no qual um dos braços inversores é conectado à carga e opera como filtro ativo de potência paralelo (FAPP). É adotada a estratégia de compensação dual para a topologia do UPQC proposta, na qual as malhas de controle de tensão e corrente operam com referências de controle senoidais. Desta forma, o FAPS opera como fonte de corrente senoidal, sincronizada com a tensão da rede elétrica monofásica, enquanto o FAPP opera como fonte de tensão senoidal equilibrada e regulada. São realizadas simulações computacionais com o objetivo de avaliar o desempenho da topologia proposta, bem como um protótipo experimental é construído a fim de confirmar o desenvolvimento teórico e validar a proposta deste trabalho. / This work presents a study, design and analysis of a single-phase to three-phase converter with series-parallel active power line compensation, which in this work is called UPQC-Mono-Tri. The proposed topology is indicated for application in rural areas, where only single-phase electric power distribution system is available. The UPQC is composed of two PWM converters, where the first operates as series active power filter (SAPF), while the second is composed of a three-phase inverter, which is implemented by means of three half-bridge inverters. One of the half-bridge inverters is connected to the load and also operates as parallel active power filter (PAPF). The dual compensation strategy is adopted for the proposed UPQC topology, in which both series and parallel controllers handle only sinusoidal references. The SAPF operates as sinusoidal current source synchronized with the utility grid voltage, while the PAPF operates as sinusoidal voltage source providing sinusoidal, balanced and regulated voltages to single or three-phase loads. Simulations are performed in order to evaluate the proposed topology performance, as well as an experimental prototype is built to confirm the theoretical development, and validate the proposed work.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les pertes dans un micro-réseau urbain à courant continu ayant comme but principal l’amélioration de l’efficacité énergétique. Sachant qu’un tel micro-réseau multi-source consiste en plusieurs sources dont les natures sont très différentes, les convertisseurs statiques sont indispensables mais ils apportent des pertes de puissance. Ces pertes sont très variables en particulier avec les sources renouvelables comme les panneaux photovoltaïques. Dans la littérature le rendement du convertisseur est souvent traité comme une constante, mais des tests expérimentaux sont effectués pour prouver que le rendement est variable. Afin d’étudier les pertes en détail, un état de l’art sur les convertisseurs statiques a été effectué pour estimer les pertes en fonction de divers paramètres et variables. En considérant la précision d’estimation et la vitesse de calcul, un modèle énergétique moyen basé sur la fiche technique des composants utilisés est établi. Des tests expérimentaux sont effectués pour valider ce modèle sur les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC utilisés dans le micro-réseau. Grâce à la simplicité de ce modèle, il peut s’insérer dans le système du contrôle en temps réel. Par conséquent, des stratégies de pilotage du micro-réseau sont proposées pour prendre en compte le rendement variable dans le contrôle global et local du micro-réseau. Ces stratégies permettent d’avoir un délestage flexible des puissances dans le micro-réseau et d’accélérer la vitesse de convergence du contrôle, avec la connaissance des pertes de chaque convertisseur à chaque instant. Les résultats montrent que ces stratégies conduisent à la réduction du coût énergétique et améliorent légèrement le rendement global du micro-réseau. / The object of the thesis is to study the power losses in an urbain DC microgrid in order to improve the energy efficiency. Noted that such a multi-source microgrid consist of several sources whose nature is different one from another, the static power converters are essential but they brings power losses. The power losses are quite variable in particular with the renewable energy source such as the photovoltaic panels. In the litteral works the converter efficiency is often treated as a constant, but experimental tests are carried out to show its variation. For the sake of study the power loss thoroughly, a state of art of the static converter is studied to develop a simple and fast estimation methode of power losses. Aiming at the tradeoff between the estimation accurancy and the calculation time, an averaged energy model is developped on the basis of the component datasheet. The experimental tests are carried out to validate the application of the model on the DC/DC and DC/AC converters used in the microgrid. Due to its simplicity, the model can be implemented in the real-time system. Thus the energy management strategies are proposed to interact with the variable efficiency on the high and low level control. These strategies are capable of shedding the powers in the microgrid with flexibility and accelerating the the convergency spped of control through the knowledge of power losses of each converter. The results show that the energy cost has decreased and the microgrid global efficiency is slightly improved.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é apresentado a análise de um conversor CA-CC Bridgeless monofásico de estágio único com correção de Fator de Potência, baseado no conversor SEPIC isolado com os interruptores do lado CA. Para que o conversor exerça a técnica de correção de fator de potência, pelo fato de estar operando no modo de condução contínuo (MCC), é necessário controlar a corrente de entrada. Sendo assim, o sistema de controle, comparado caso o conversor operasse no modo de condução descontínuo (MCD), fica mais complexo, resultando em uma desvantagem para operação em MCC. Porém, quando se trata de rendimento, como os níveis de pico de corrente são menores operando em MCC, se espera obter um rendimento mais elevado. Além disso, com os interruptores do lado CA o conversor apresenta um número menor de semicondutores no caminho da corrente durante um período de comutação, comparado com a topologia convencional, sendo mais um ponto positivo se tratando do rendimento do conversor. São apresentadas as etapas de operação do conversor, as formas de onda ideais, tanto em alta frequência quanto em baixa frequência, a análise matemática contendo as principais equações que regem o funcionamento do conversor e a simulação numérica comprovando a análise desenvolvida. O conversor foi projetado para uma tensão de entrada de 127V com tensão de saída igual a 200V, operando com uma frequência de comutação igual a 50kHz e uma potência entregue a carga igual a 300W. / In this paper is presented the analysis of a single-phase bridgeless AC-DC converter with a single-stage of power factor correction, based on an isolated SEPIC converter with AC-side switches. Wherefore the converter carry out the power factor correction technic, by the act of operating in the continuous conduction mode (CCM), it’s essential to control the input current. Therefore, the control system, compared to the converter operating in the discontinuous conduction mode (DCM), become more complex, resulting on a disadvantage for the CCM. Nevertheless, when it’s come to efficiency, how the levels of peak current are smaller operating in CCM, it is expected to obtain a higher efficiency. Besides that, with the AC-side switches the converter presents a smaller number of semiconductors on the current path during a switching period, compared with the conventional topology, become one more positive advantage for the converter efficiency. Are presented the operation stages of the converter, waveforms, for high frequency as well as mains frequency, the numeric analysis possessing the leading equations for the converter operations and the numeric simulation proving the developed analysis. The converter was designed for a 127V input voltage, with a 200V output voltage, operating with a switching frequency of 50kHz, and a 300W rated output power.

Com o crescente aumento da demanda de energia elétrica em nível mundial, há também um crescimento dos desafios de integrar diferentes formas de geração de energia com os microgrids CC. As fontes de geração distribuída constituídas de fontes renováveis tais como solar, pequenas centrais eólicas, células de combustível, entre outras, normalmente produzem baixas tensões elétricas, cabendo a um conversor propiciar o ganho de tensão que possibilite `a sua conexão com o sistema. Neste trabalho, é apresentado o estudo do conversor flyback intercalado com foco na análise matemática e na implementação do indutor acoplado flyback visando a diminuição de perdas. Inicialmente, é feita uma revisão dos conversores CC−CC que possuem características de aplicação similares à proposta desse trabalho. A partir da revisão, são apresentadas as vantagens e desvantagens da utilização de conversores isolados e as suas limitações quanto à potência e aos modos de operação. Uma análise detalhada utilizando o método do transformador PWM é realizada para a determinação do ganho de tensão e do rendimento do conversor flyback intercalado operando no modo de condução descontínua. Os procedimentos de projeto do indutor acoplado e dos componentes do circuito eletrônico são apresentados e detalhados. Os circuitos snubbers regenerativo e dissipativo (RCD) são projetados e implementados para a comparação dos resultados. Um conversor flyback intercalado com potencia nominal de 500Wfoi simulado e implementado, sendo que resultados de simulação e experimentais são apresentados, comparados e discutidos. Ao final do trabalho, um mainframe CC é proposto e simulado, fazendo a integração e o controle de dois conversores CC−CC operando em paralelo. / The power demand worldwide is increasing and there is also a growing challenges of integrating different ways of power generation with the DC microgrids. The sources of distributed generation formed by renewable sources such as solar, small wind power plants, fuel cells, among others, usually produce low voltages, leaving the converter provide the voltage gain that enables to their connection to the system. This work presents the study of interleaved flyback converter with focus on mathematical analysis and implementation of the flyback coupled inductor in order to minimize losses. Initially, it made a review of DC-DC converters that have similar application characteristics to the proposal of this work. From the review, the advantages and disadvantages of using isolated converters and their limitations on the power and operating modes are presented. A detailed analysis using the PWM transformer method is performed for determining the voltage gain and the interleaved flyback converter efficiency operating in discontinuous conduction mode. Coupled inductor design procedures and electronic circuit components are presented and detailed. The regenerative and dissipative (RCD) snubbers circuits are designed and implemented to compare the results. A interleaved flyback converter with nominal power of 500 W was simulated and implemented, and simulation and experimental results are presented, compared and discussed. At the end of the work, a DC mainframe is proposed and simulated, making the integration and control of two DC-DC converters operating in parallel.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho, apresenta-se o estudo de um conversor CC-CC isolado com comutação suave e saída em tensão, destinado a aplicações com ampla faixa de tensão de entrada, com o nome em inglês Hybrid T-type Zero-Voltage-Switching Pulse-Width-Modulated DC-DC converter (HT2-ZVS-PWM). O conversor estudado possui seis interruptores, sendo quatro deles submetidos ao nível máximo da tensão de entrada e os outros dois, que constituem a célula tipo T, submetidos a metade desta tensão. São propostas modulações de três níveis e quatro níveis aplicadas no comando dos interruptores, as quais possibilitam comutação suave do tipo ZVS para os mesmos, no modo de condução contínua. O trabalho é estruturado em análise teórica para os modos de condução contínua e descontínua, análise de esforços nos elementos do conversor, análise da comutação dos interruptores, análise dinâmica, metodologias de projeto e resultados experimentais, em que se analisam resultados para uma tensão mínima e uma tensão máxima de entrada. Utiliza-se 1,2 kW, 240 V – 480 V de entrada, 300 V de saída e frequência de comutação de 50kHz para a comprovação das análises que serão realizadas. Rendimentos são obtidos a partir de ensaios experimentais com o protótipo para operação com ponto fixo e ampla faixa de tensão de entrada. Para ponto fixo o rendimento foi de 97,38% em potência nominal e para ampla faixa foram de 96,35% (240 V) e 95,72% (480 V) em 60% e 70% da potencia nominal, respectivamente. / This work presents the analysis of an isolated DC-DC converter with soft switching and capacitive output filter, for applications with a wide input voltage range, called Hybrid T-type Zero-Voltage-Switching Pulse-Width-Modulated DC-DC converter (HT2-ZVSPWM). The converter studied contains six switches, four of which are submitted to the entire input voltage value and the other two, which constitute the Type T cell, are subjected to half of this voltage. The proposed three-level and four-level modulations are applied to generate the switching signals, which ensures ZVS operation for all converter switches in the continuous conduction mode. The work is structured in theoretical analysis for both continuous and discontinuous conduction modes, stress analysis, dynamic analysis, design methodology and experimental results in which results are analyzed for a minimum voltage and a maximum input voltage. Theoretical analysis, design example and experimental data for 1.2 kW, 240 – 480 Vdc input, 300 Vdc output, and 50 kHz switching frequency laboratory prototype are analyzed. Measured efficiency are obtained from experimental trials with the prototype for fixed point operation and wide input voltage range. For fixed point the efficiency was of 97.38% at full load and for wide range were of 96.35% (240 V) and 95.72% (480 V) in 60% and 70% of the nominal power, respectively.

CAPES / Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre dois modos de conexão de conversores CC-CC empregados em lâmpadas LED para iluminação pública. Uma das conexões é baseada na técnica conhecida como Reduced Redundant Power Processing e a outra é a conexão série de conversores estáticos. Os conversores SEPIC e buck-boost foram implementados, respectivamente, nos estágios de correção do fator de potência e controle de potˆencia demandada pela carga. Ambos os conversores operam em modo de condução descontínua de corrente. Protótipos de 70 W foram implementados para os dois tipos de conexão. Os resultados experimentais obtidos mostram o desempenho de cada tipo de conexão. Ambas as conexões estão em conformidade à norma IEC 61000-3-2 Classe C e as recomendações práticas IEEE Std 1789-2015. ´E realizada uma discussão sobre as vantagens e desvantagens de cada modo em estudo. / This work presents a comparative study between two different connections of DC-DC converters used in LED lamps for street lighting. One of the connections is based on the technique known as Reduced Redundant Power Processing and the other one is the series connection of static converters. The SEPIC and buck-boost converters were implemented, respectively, in the power factor correction and power control demanded by the load stages. Both of the converters operate in the discontinuous conduction mode of current. Prototypes of 70 W were developed for the two connection types. The experimental results obtained shows the performance of each connection type. Both of the connections are in compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard and the practicals recommendations IEEE Std 1789-2015. A discussion is realized about the advantages and disadvantages of each connection type.