Translinear circuits are circuits in which the exponential relationship between the output current and input voltage of a circuit element is exploited to realize various algebraic or differential equations. This thesis is concerned with a subclass of translinear circuits, in which the basic translinear element, called a multiple-input translinear element (MITE), has an output current that is exponentially related to a weighted sum of its input voltages. MITE networks can be used for the implementation of the same class of functions as traditional translinear circuits. The implementation of algebraic or (algebraic) differential equations using MITEs can be reduced to the implementation of the product-of-power-law (POPL) relationships, in which an output is given by the product of inputs raised to different powers. Hence, the synthesis of POPL relationships, and their optimization with respect to the relevant cost functions, is very important in the theory of MITE networks. In this thesis, different constraints on the topology of POPL networks that result in desirable system behavior are explored and different methods of synthesis, subject to these constraints, are developed. The constraints are usually conditions on certain matrices of the network, which characterize the weights in the relevant MITEs. Some of these constraints are related to the uniqueness of the operating point of the network and the stability of the network. Conditions that satisfy these constraints are developed in this work. The cost functions to be minimized are the number of MITEs and the number of input gates in each MITE. A complete solution to POPL network synthesis is presented here that minimizes the number of MITEs first and then minimizes the number of input gates to each MITE. A procedure for synthesizing POPL relationships optimally when the number of gates is minimal, i.e., 2, has also been developed here for the single--output case. A MITE structure that produces the maximum number of functions with minimal reconfigurability is developed for use in MITE field--programmable analog arrays. The extension of these constraints to the synthesis of linear filters is also explored, the constraint here being that the filter network should have a unique operating point in the presence of nonidealities. Synthesis examples presented here include nonlinear functions like the arctangent and the gaussian function which find application in analog implementations of particle filters. Synthesis of dynamical systems is presented here using the examples of a Lorenz system and a sinusoidal oscillator. The procedures developed here provide a structured way to automate the synthesis of nonlinear algebraic functions and differential equations using MITEs.

An 80 MHz bandpass filter with a tunable quality factor of 16∼44 using an improved transconductor circuit is presented. A noise optimized biquad structure for high-Q, high- frequency bandpass filter is proposed. The quality factor of the filter is tuned using a new quality factor locked loop algorithm. It was shown that a second-order quality factor locked loop is necessary and sufficient to tune the quality factor of a bandpass filter with zero steady state error. The accuracy, mismatch, and sensitivty analysis of the new tuning scheme was performed and analyzed. Based on the proposed noise optimized filter structure and new quality factor tuning scheme, a biquad filter was designed and fabricated in 0.25 μm BiCMOS process. The measured results show that the biquad filter achieves a SNR of 45 dB at IMD of 40 dB. The P-1dB compression point and IIP3 of the filter are -10 dBm and -2.68 dBm, respectively. The proposed biquad filter and quality factor tuning scheme consumes 58mW and 13 mW of power at 3.3 V supply.

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e adaptação de técnicas para minimizar os efeitos das variações de carga e de frequência da rede em controladores repetitivos aplicados a filtros ativos de potencia. Para minimizar os efeitos provenientes de sinais aperiódicos decorrentes da conexão ou desconexão de cargas não lineares é elaborada uma técnica que diferencia cargas lineares de não lineares. Esta técnica opera de forma a só reinicializar o controlador quando o erro devido ao transitório for de valor considerável ou quando ocorrer a transição de carga não linear para linear. Também é desenvolvido um algoritmo de adaptação do ganho do controlador repetitivo baseado em uma função de adaptação sigmóide, com intuito de minimizar os efeitos provocados por ruído aleatório no sistema de medição. Na sequência, são analisados os efeitos da variação de frequência e apresentados os principais métodos de compensação deste problema. Entre as soluções apresentadas, encontra-se o método da alteração do número de amostras por período e o método da variação da taxa de amostragem. O primeiro possui a vantagem de utilizar técnicas de projeto lineares e invariantes no tempo. Já o segundo método, por variar a frequência de amostragem, deve ser analisado sob um aspecto de sistema variante no tempo, o que acarreta em maior complexidade na prova de estabilidade. Os algoritmos de reinicialização e adaptação do ganho do controlador repetitivo são analisados sob variação da frequência da rede. Para a compensação da variação da rede, utiliza-se o método do truncamento do número de amostras e o da variação da taxa de amostragem. Por fim, para validar os algoritmos desenvolvidos s˜ao realizados testes em uma plataforma experimental. / This work presents the development and modification of techniques to reduce the effects of load variation and mains frequency deviation in repetitive controllers applied to active power filters. To minimize the effects of aperiodic signals resulting from the connection or disconnection of non-linear loads is developed a technique which recognizes linear and nonlinear loads, and operates to reset the controller only when the error due to the transition of considerable value, and the transition is from non-linear to linear load. An algorithm to adapt the gain of the repetitive controller, based on a sigmoid function adaptation, in order to minimize the effects caused by random noise in the measurement system is also used. This work also analyzes the effects of frequency variation and presents the main methods to cope with this situation. Some solutions are the change in the number of samples per period and the variation of the sampling rate. The first has the advantage of using linear design techniques and results in a time invariant system. The second method changes the sampling frequency and leads to a time variant system that demands a difficult analysis of stability. The proposed algorithms were tested using the methods of truncation of the number of samples and the method of changing the sampling rate of the system to compensate possible frequency variations of the grid. Experimental results are presented to validate the proposal.

O projeto de filtros digitais do tipo IIR é um problema clássico da engenharia. Filtros digitais possuem diversas aplicações, e muitas variantes de comportamento. Existem vários métodos especialistas consagrados na literatura, cada um com suas peculiaridades e adequações a diferentes casos. Porém, a maior parte destes métodos não é flexível, impedindo a especificação de todos os parâmetros importantes de um filtro, pois alguns desses são um sub-produto do processo de cálculo. Por isso, este problema também é atacado na literatura através de técnicas de computação evolucionária. Diversos estudos foram encontrados com esta abordagem, mas em quase todos, o enfoque era dado no algoritmo evolucionário em vez de no filtro, utilizando este apenas como uma função de \emph{benchmark}. Além disso, a estabilidade do filtro - condição imprescindível para a utilização do mesmo - é desprezada em quase todos os trabalhos. Portanto, este trabalho propõe uma função de \emph{fitness} e uma nova codificação para este problema, de forma a possibilitar a obtenção de bons filtros, dentro das especificações, com algoritmos de Computação Evolucionária na forma canônica, isto é, sem modificações estruturais. A função de \emph{fitness} proposta busca corrigir distorções causadas pela função tradicional, que não leva em conta a obediência às especificações do filtro. A codificação mapeia o espaço de busca apenas para as soluções estáveis, sem excluir nenhuma solução válida nesta transformação. Além disso, um pós-processamento permite equalizar a resposta em fase do filtro, isto é, tornar o atraso de fase na banda de passagem linear, condição necessária para a utilização em diversos sistemas, especialmente os de telecomunicações. O desempenho das modificações é comparado com as abordagens clássicas utilizadas na literatura, e o conjunto escolhido como o mais eficiente é utilizado para comparar os dois algoritmos mais utilizados em Computação Evolucionária, o PSO e o AG. Após esse passo, experimentos extensivos de ajuste de parâmetros foram realizados, para que a versão final fosse comparada com o método especialista mais poderoso, que é o cálculo de filtros elípticos. Os resultados mostraram que o conjunto de modificações proposto fez com que excelentes filtros fossem obtidos, com uma taxa de obediência às especificações muito superior à obtida sem o mesmo. Comparando com o método especialista, o desempenho foi semelhante, com pontos a favor e contra cada um, mostrando que o projeto de filtros IIR através de Computação Evolucionária pode ser utilizado em sistemas reais. Em trabalhos futuros poderão ser estudadas novas modificações na funçao de \emph{fitness}, além do desempenho obtido com outros algoritmos evolucionários. A utilização em sistemas \emph{online} é uma aplicação promissora, e o comportamento deste método com especificações não-estacionárias, oriundas de informações de estimação de canal também deve ser investigado. / IIR digital filter design is classic problem in Electrical Engineering. Digital filter have many applications, and dozens of different behaviors. There are many specialist methods in literature, each with specific differences and characteristics. But most of these methods are not flexible, preventing one from fixing all parameters, because some of them are a sub-product of the calculation process. Therefore, this problem is also solved in literature with Evolutionary Computing techniques. Several works were found with this approach, but in almost all, the focus was in the evolutionary algorithm rather than on the filter problem, using this only as a benchmark function. Moreover, the filter stability - prerequisite for the filter application - is neglected in almost all of them. So, this work proposes a new fitness function, as well as a new codification, in order to obtain good filters, obedient to the specifications, with Evolutionary Computing algorithms in the canonic form, this is, without structural modifications. The proposed fitness function tries to correct distortions caused by the traditional one, which does not takes into account the filter gain specifications. The new coding maps the search space only to the stable solutions, not excluding any valid solution in the transformation. Moreover, a post-processing allows the filter phase equalization, this is, to make the pass band phase delay linear. This property is necessary in many types of applications, specially the telecommunication ones. The modifications performance is compared to the classic approaches found in the literature, and the most efficient set is use to compare the two most used Evolutionary Computing algorithms, GA and PSO. After this, extensive parameter tuning experiments were made, producing a final version of the method to compare with the specialist one. The chosen specialist method was the Elliptic filter, because the filter response has similarities with the one found by the proposed algorithm, and also because it is the most powerful one. Results showed excellent filters found with the proposed modifications, with a specification obedience rate well above the ones obtained with the classical approaches. Comparing with the specialist method, a similar performance was achieved, showing that IIR filter design with Evolutionary Computing can be used in real systems. Future work will address new modifications in the fitness function, and the performance of different EC algorithms in this problem. The application in online systems is promising, so the behavior of this approach with non-stationary specifications coming from channel estimation techniques should also be investigated.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um filtro ativo trifásico universal, o qual é composto pela conexão de três módulos monofásicos. Cada módulo monofásico é independente e é controlado por um processador digital de sinais. A estrutura de potência utilizada em cada módulo é uma topologia de três braços em que dois conversores compartilham um braço, de forma que o circuito apresenta número de componentes de potência reduzido na versão monofásica e pode operar sem o uso de um transformador. O filtro ativo proposto é capaz de compensar a distorção harmônica e regular o nível da tensão entregue para a carga. Ele também compensa a corrente da carga conectada na saída do filtro, corrigindo seu conteúdo harmônico e fator de potência. Apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre alguns assuntos referentes à qualidade de energia elétrica, como os conceitos de distorção harmônica, seus efeitos e as normas pertinentes. Em seguida, as principais topologias de filtros ativos são apresentadas. Três módulos monofásicos, de 1500 W cada, são implementados e o funcionamento da estrutura de três braços, bem como os principais parâmetros do circuito de potência são analisados. Um algoritmo PLL (Phase Locked Loop) digital é empregado para o sincronismo de cada módulo. Controladores repetitivos são utilizados para o controle da tensão e da corrente. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto do circuito de sincronismo e dos controladores digitais são apresentados. Os resultados teóricos obtidos são comprovados através da simulação e da experimentação do protótipo implementado. A utilização do filtro ativo possibilitou a redução do conteúdo harmônico das cargas utilizadas nos testes, bem como elevou o fator de potência e corrigiu a distorção e o nível da tensão entregue para a carga. / This paper presents the development and implementation of a three-phase universal active filter consisting of three single-phase modules. Each single-phase module is independent and is controlled by a digital signal processor. The power structure used in each module is a three-arm topology in which two converts share one arm, so that the circuit has a reduced count of components and can operate without using a transformer. The proposed active filter can compensate harmonic distortion and adjust the voltage level delivered to the load. It also compensates the load current connected to the filter output, correcting its harmonic content and power factor. It presents a literature review on some issues related to power quality, as the concepts of harmonic distortion, its effects and relevant standards. Then the principal topologies used in active filters are presented. Three single-phase modules, each one of 1500 W, are implemented and the operation principles of the three-arms structure and the main parameters of the power circuit are analyzed. A digital PLL (Phase Locked Loop) is employed to synchronize each module. Repetitive controllers are used to control the voltage and current. Details of the control strategy and circuit design of the synchronism and digital controllers are presented. The results are verified through simulation and experimentation of the implemented prototype. Using the active filter was possible to reduce the harmonic content of the loads used in the experimental tests as well as increasing the power factor and to correct the distortion and voltage level supplied to the load.

CAPES; CNPq; Fundação Araucária / A operação de unidades de geração distribuída (UGDs) é um assunto relativamente novo no cenário energético brasileiro. A conexão destas unidades à rede, bem como sua desconexão vêm sendo abordadas em pesquisas recentes em todo o mundo. É necessário que a energia elétrica entregue à rede e à carga tenha certos níveis de qualidade para que o consumidor seja devidamente atendido até mesmo em situações de contingência. Outro cuidado necessário é com relação aos sistemas de controle envolvidos, para que operem sem degradar a qualidade de energia. Neste sentido, este trabalho propõe a análise da estabilidade e da qualidade de energia no ponto de conexão de uma unidade de geração distribuída à rede e a carga ou apenas à carga, sendo ambas situações através de filtro LCL (indutivo-capacitivo-indutivo). Este tipo de filtro possui uma impedância caracterizada por um pico de ressonância próximo a sua frequência de corte. É necessário que este pico seja amortecido para que o sistema não seja levado à instabilidade. Nesta dissertação são propostos alguns casos para análise. Estes casos se diferem pela variável controlada, pela forma de operação do sistema e pela técnica não amortecimento utilizada. No caso do inversor conectado à rede e à carga, são analisados os casos em que a corrente do primeiro ou do segundo indutor de filtro é a variável controlada. Já para o caso em que o inversor está apenas alimentando a carga local, a variável controlada é a tensão no capacitor do filtro LCL. Todos estes casos são avaliados operando sem amortecimento nenhum da ressonância, com amortecimento passivo ou com amortecimento ativo. Além disso, para estes cenários há ainda a variação nos parâmetros da carga RL(resistiva-indutiva) a fim de verificar qual é a influência da variação da carga na estabilidade do sistema e na qualidade de energia no ponto de conexão. As análises de estabilidade são realizadas através de diagramas de Bode e mapas de polos e zeros do sistema. A análise da qualidade da energia realiza-se por meio de resultados experimentais obtidos em uma bancada experimental. Verifica-se através dos resultados que em termos de qualidade de energia não existem alterações significativas controlando-se diferentes variáveis no modo conectado. Além disso, constata-se também que outros fatores, além da variável controlada, do tipo de técnica utilizada para amortecimento e da frequência crítica influenciam na instabilidade ou não do sistema devido à ressonância. Através das análises, observa-se também que um controlador PI (proporcional-integral) bem ajustado pode oferecer robustez ao sistema frente às variações de parâmetros da carga e consequentes variações nas variáveis controladas. Nota-se também que para o caso ilhado, as DHTi e DHTv (Distorções Harmônicas Totais de Corrente e de Tensão) são baixas, fornecendo energia com boa qualidade para a carga local alimentada pelo sistema. / The operation of distributed generation units (DGUs) is a relatively recent issue in the Brazilian energetic scenario. The connection of these units to the grid, as their disconnection are being approached in recent researches worldwide. It is necessary that the electrial power delivered to the grid and to the power has some levels of quality so the consumer may be well attended even in contingence situations. Another necessary caution is related to the control systems involved, so they operate without degrade the power quality. At this point, this work proposes the stability and power quality analysis in the point connection of a distributed generation unit to the grid and to the load or just to the load, both situations through LCL (inductive-capacitive-inductive) filter. This kind of filter has an impedance that is characterized by resonance peak near to its cut-off frequency. It is necessary to damp this peak in order that the sytem is not lead to instability. In this Master Thesis, some cases are proposed to be analyzed. These cases differ one from another because of the controlled variable, by the kind of operation of the system and by the damping technique that is used. In the case of the grid and load-tied inverter, the analyzed cases are those in which the first or second filter inductor current is the controlled variable. For the case in which the inverter is just feeding the local load, the controlled variable is the LCL filter capacitor voltage. All of these cases are evaluated by operating with none resonace damping, passive damping or active damping. Beyond this, for these scenarios, there is the parameters variation of the RL (resistive-inductive) load in order to check which is the influence of the load variations in the system stability and in the power quality at the connection point. The stability analysis are performed through Bode diagrams and pole-zero maps of the system. The power quality analysis is carried out by means of experimental results obtained in an experimental bench. It is verified through the results that in terms of power quality, there is not significantly changes by controlling different variables in the grid-tied mode. Furthermore, other factors, beyond the controlled variable, the kind of damping technique and the criticak frequency influence in the instability of the system due to the resonance. Through the analysis, it is oberserved that a well-adjusted PI (proporcional-integral) controller may offer robustness to the system under load parameter variations and consquent controlled variable variations. It is also noted that for the stand-alone case, the THDi and the THDv (Total Harmonic Distortions of Current and Voltage) are low, providing good power to the local load fed by the system.

Orientador: José Antenor Pomilio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T00:46:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alvarenga_MarcosBalduinode_D.pdf: 18917931 bytes, checksum: a0630621c255135a8bf5fd49974daea6 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Esta tese apresenta contribuições para o emprego de inversor multinível em cascata simétrica como filtro ativo de potência. O balanceamento das tensões nos barramentos CC é feito a partir de informação de um único bit obtido em cada módulo do conversor. O balanceamento é realizado através da postergação ou da supressão dos pulsos e, também, pela organização da ordem de acionamento das chaves semicondutoras de potência. A estratégia de modulação desenvolvida permite também a equalização dos pulsos de chaveamento entre os diversos módulos do inversor e suprime um porcentual de comutações redundantes ou irrelevantes, minimizando as perdas do conversor. Toma-se como parâmetro de qualidade a distorção harmônica decorrente de tais procedimentos. A técnica desenvolvida viabiliza a inserção de células em redundância, o que aumenta a confiabilidade da operação, favorecendo sua aplicação em filtros ativos de potência e dispositivos de condicionamento aplicados em redes de energia elétrica. O controle da corrente do filtro ativo e o controle das tensões nos barramentos CC são executados por dois controladores independentes, cujos projetos são detalhados e equacionados. A estratégia foi avaliada em um protótipo experimental de baixa tensão, constituído de um conversor multinível composto por quatro células simétricas, sendo uma em redundância, comandadas por um microcontrolador. Foram realizadas, também, simulações, considerando um alimentador de distribuição com 22,5 MVA e 13,8 kV. Nas análises dos resultados, são considerados os valores estabelecidos por normas relativas ao limite de harmônicas de corrente / Abstract: The present thesis shows contributions to the use of symmetrical cascaded multilevel inverter as active power filter. The balancing of the voltages on the DC bus is made from a single bit of information obtained in each converter module. Balancing is performed by postponement or suppression pulses and also for organizing the order of activation of the power semiconductor switches. The modulation strategy developed also allows the equalization of switching pulses between different inverter modules and removes a percentage of redundant or irrelevant switching, minimizing the losses of the converter. Taken as the quality parameter was the harmonic distortion resulting from such procedures. The technique developed enables the insertion of cells in redundancy, which increases reliability of the operation, in favor of their use in active power filters and conditioning devices used in power grids. The current control of active filter and control voltages in DC buses are performed by two independent controllers, whose projects are detailed and calculated. The strategy was evaluated in an experimental prototype low-voltage, consisting of a multilevel converter composed of four symmetrical cells, one redundancy, controlled by a microcontroller. It was also performed simulations considering a distribution feeder with 22.5 MVA and 13.8 kV. In the analysis of the results it was taken into account established values by standards for harmonic current limit / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

A presença de cargas não-lineares em um ponto do sistema de distribuição pode deformar a forma de onda de tensão devido ao consumo de correntes não senoidais. O uso de filtros ativos de potência permite uma redução significativa do conteúdo harmônico da corrente de alimentação. Entretanto, as estruturas digitais de controle para estes filtros, particularmente o cálculo das correntes de referência, pode necessitar de processamento de alto desempenho. Neste trabalho se propõe o desenvolvimento de estruturas de controle com alto desempenho de processamento, para aplicação em filtros ativos de potência. Neste sentido, é considerada uma arquitetura que permite processamento paralelo utilizando dispositivos lógicos programáveis. A estrutura desenvolvida utiliza um modelo híbrido com um DSP e uma FPGA. O DSP é utilizado para aquisição de sinais de tensão e corrente, controladores adicionais relacionados a fundamental e acionamento PWM. A FPGA é utilizada para o processamento intensivo do sinal de compensação de harmônicas. Desta forma, através da análise experimental são obtidas reduções significativas nos tempos de processamento comparadas as abordagens tradicionais utilizando somente DSP. Os resultados experimentais validam a estrutura projetada e são comparados com outras arquiteturas relatadas na literatura. / The presence of non-linear loads at a point in the distribution system may deform voltage waveform due to the consumption of non-sinusoidal currents. The use of active power filters allows significant reduction of the harmonic content in the supply current. However, the processing of digital control structures for these filters may require high performance hardware, particularly for reference currents calculation. This work describes the development of hardware structures with high processing capability for application in active power filters. In this sense, it considers an architecture that allows parallel processing using programmable logic devices. The developed structure uses a hybrid model using a DSP and an FPGA. The DSP is used for the acquisition of current and voltage signals, calculation of fundamental current related controllers and PWM generation. The FPGA is used for intensive signal processing, such as the harmonic compensators. In this way, from the experimental analysis, significant reductions of the processing time are achieved when compared to traditional approaches using only DSP. The experimental results validate the designed structure and these results are compared with other ones from architectures reported in the literature.

A presença de cargas não-lineares em um ponto do sistema de distribuição pode deformar a forma de onda de tensão devido ao consumo de correntes não senoidais. O uso de filtros ativos de potência permite uma redução significativa do conteúdo harmônico da corrente de alimentação. Entretanto, as estruturas digitais de controle para estes filtros, particularmente o cálculo das correntes de referência, pode necessitar de processamento de alto desempenho. Neste trabalho se propõe o desenvolvimento de estruturas de controle com alto desempenho de processamento, para aplicação em filtros ativos de potência. Neste sentido, é considerada uma arquitetura que permite processamento paralelo utilizando dispositivos lógicos programáveis. A estrutura desenvolvida utiliza um modelo híbrido com um DSP e uma FPGA. O DSP é utilizado para aquisição de sinais de tensão e corrente, controladores adicionais relacionados a fundamental e acionamento PWM. A FPGA é utilizada para o processamento intensivo do sinal de compensação de harmônicas. Desta forma, através da análise experimental são obtidas reduções significativas nos tempos de processamento comparadas as abordagens tradicionais utilizando somente DSP. Os resultados experimentais validam a estrutura projetada e são comparados com outras arquiteturas relatadas na literatura. / The presence of non-linear loads at a point in the distribution system may deform voltage waveform due to the consumption of non-sinusoidal currents. The use of active power filters allows significant reduction of the harmonic content in the supply current. However, the processing of digital control structures for these filters may require high performance hardware, particularly for reference currents calculation. This work describes the development of hardware structures with high processing capability for application in active power filters. In this sense, it considers an architecture that allows parallel processing using programmable logic devices. The developed structure uses a hybrid model using a DSP and an FPGA. The DSP is used for the acquisition of current and voltage signals, calculation of fundamental current related controllers and PWM generation. The FPGA is used for intensive signal processing, such as the harmonic compensators. In this way, from the experimental analysis, significant reductions of the processing time are achieved when compared to traditional approaches using only DSP. The experimental results validate the designed structure and these results are compared with other ones from architectures reported in the literature.