Le Carbure de Silicium (SiC) va permettre de repousser les limites des convertisseurs dans trois directions : tenue en tension élevée, haute température de fonctionnement et forte vitesse de commutation. Aujourd’hui, les premiers modules MOSFET SiC sont disponibles sur le marché et semblent prometteurs. L’objectif de ces travaux de thèse consiste plus particulièrement à mettre en œuvre des montages permettant de caractériser ces premiers modules de puissance MOSFET SiC en vue de les utiliser dans les convertisseurs ferroviaires. Le premier chapitre est consacré à l’état de l’art d’une chaîne de traction de Tramway. C’est ce type de chaîne de traction sur lequel se concentrent les études des premières implantations de composants en SiC. Le deuxième chapitre présente un état de l’art des composants semi-conducteurs de puissance en SiC. Il rappelle tout d’abord les propriétés du matériau et détaille ensuite différentes structures de composants en SiC. Le troisième chapitre concerne les modélisations et les simulations de modules de puissance MOSFET SiC au sein d’une cellule de commutation. Les phases de commutation de ces composants sont étudiées en détail, les influences de différents paramètres sont mises en évidence et des simulations multi-physiques permettent de concevoir les bancs d’essais nécessaires à la caractérisation. Le quatrième chapitre présente les résultats des caractérisations statiques et dynamiques de modules de puissance MOSFET SiC. Ces résultats d’essai sont comparés à des modules IGBT Si de même calibre. Le cinquième chapitre est consacré à la mise en œuvre d’un banc d’essai utilisant la « méthode d’opposition ». Celui-ci permet de comparer les modules IGBT Si et les MOSFET SiC en fonctionnement onduleur grâce à des mesures électriques et calorimétriques. Le sixième et dernier chapitre présente des conclusions et donne des perspectives d’utilisation des composants MOSFET SiC dans les convertisseurs ferroviaires. Différents projets visant à utiliser des MOSFET SiC sur des applications ferroviaires y sont présentés. / Silicon Carbide (SiC) technology is pushing the limits of switching devices in three directions: higher blocking voltage, higher operating temperature and higher switching speed. Nowadays, samples of Silicon Carbide (SiC) MOSFET modules are available on the market and seem promising. The aim of the thesis is to characterize these first power modules thanks to dedicated test beds in order to use them in railway converters. The first chapter focuses on the state of the art of Tramway traction chain. It is this type of traction chain which is the target application of these SiC components. The second chapter presents a state of the art of the SiC devices. First, we recall the material properties and then we detail different structures of SiC components. The third chapter concerns modelling and simulations of SiC MOSFET power modules within a commutation cell. The switching phases of these components are studied in detail and the influences of various parameters are highlighted. Multi-physicals simulations allow designing test benches necessary for the characterization. The fourth chapter presents the results of static and dynamic characterizations of SiC MOSFET power modules. The test results are compared with Silicon IGBT modules of the same rating. The fifth chapter is dedicated to the achievement of a test bench based on the "opposition method". This test bench allows comparing Si IGBT and SiC MOSFET modules in a voltage source inverter (VSI) operation by using electrical and calorimetric measurement methods. The sixth and last chapter presents conclusions and provides outlook for SiC MOSFET components in railway converters. Different projects targeting to use SiC MOSFET on railway applications are presented.

O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de controladores robustos baseados no princípio do modelo interno, em referenciais síncrono e estacionário, para aplicação ao estágio de saída de uma fonte ininterrupta de energia (UPS) a fim de minimizar a distorção na tensão de saída causada pela conexão de cargas não lineares balanceadas e desbalanceadas. A formulação em referencial estacionário (abc) é realizada através da aplicação de controladores com múltiplos modos ressonantes, a fim de se estabelecer erro nulo ao seguimento de referência senoidal e rejeição de distúrbios na tensão de saída devido às correntes com elevado conteúdo harmônico drenadas pelas cargas. Além disso, o controle é formulado em referencial síncrono (dq0) utilizando controladores Proporcional-Integral (PI) convencionais muito difundidos na maioria das aplicações comerciais de UPS. O projeto de ambos controladores é realizado utilizando uma metodologia de controle robusto com realimentação de estados, onde os parâmetros dos controladores são determinados através da resolução de um problema de otimização convexa sujeito a um conjunto de restrições na forma de desigualdades matriciais lineares (LMI). Uma análise comparativa de desempenho é realizada entre controladores com um modo ressonante (sintonizado na fundamental) e o PI em dq0, pois apresentam estruturas funcionalmente equivalentes sob a ótica do princípio do modelo interno aplicada a seus respectivos referenciais. Além do mais, demonstra-se a melhoria no desempenho com o uso dos controladores múltiplo ressonantes em referencial estacionário onde escolhe-se as frequências de ressonância de cada modo de maneira a suprimir os efeitos de harmônicas específicas na tensão de saída da UPS. A análise comparativa entre os controladores propostos é realizada através de simulações numéricas, utilizando os procedimentos de ensaio dinâmico e estático e as exigências estabelecidas pela norma internacional IEC 62040-3. / The main objective of this work is the development of robust controllers based on the internalmodel principle, in synchronous and stationary frames, applied to the output stage of an uninterruptible power supply (UPS), in order to minimize the output voltage distortion caused by the connection of balanced and unbalanced nonlinear loads. The formulation in stationary abc-frame is accomplished through the aplication of a multiple resonant controller, so that, it is possible to achieve zero-error tracking of the sinusoidal reference and disturbances rejection on the output voltage due to the high amount of harmonic currents drained by the loads. Moreover, a controller in synchronous reference frame (dq0 axis) is formulated through the application of conventional Proportional-Integral (PI) controllers which are widely used in comercial UPS applications. The design of both controllers is formulated using a state-feedback robust controlmethod, in which the controller parameters are determined by solving a convex optimization problem subject to a set of LMI constraints. A comparative analysis on the performance of the single-mode resonant controller (tuned at the fundamental frequency) and the PI controller is performed, because these controllers are functionally equivalent in the sense of the internal model principle applied to their respective frames. Furthermore, the improvement in performance is demostrated with the use of multiple resonant controllers in stationary abc-frame where the resonance frequencies are chosen to suppress the effects of a specific harmonic in the UPS output voltage. The comparative analysis of the proposed controllers is performed through numerical simulations, making use of the dynamical and steady-state test methods and performance requirements defined by the IEC 62040-3 international stardard.

Orientador: Dr. José L. Azcue Puma / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / Este trabalho apresenta o estudo, modelagem e projeto de um sistema de conversão de energia para a conexão de um módulo fotovoltaico com a rede elétrica. Nesta pesquisa são abordados três conversores para adequar a energia gerada por um painel fotovoltaico e conectá-la à rede elétrica. O primeiro conversor é um Boost intercalado de dois níveis encarregado de implementar o MPPT (Maximum Power Point Tracking), o segundo conversor é um Ressonante LLC que realiza o isolamento galvânico e o terceiro conversor é um inversor em ponte completa que mantém a tensão de barramento em um valor determinado e realiza a conversão de corrente contínua para corrente alternada. Os três conversores são projetados, calculando os elementos passivos que os compõem e simulando os circuitos obtidos. Também, é realizada a modelagem dos conversores e o projeto dos controladores utilizando a análise de pequenos sinais. Os resultados de simulação são apresentados utilizando os softwares PSIM e MATLAB. Na parte experimental são verificados os dois primeiros conversores usando o kit High Voltage Isolated Solar MPPT fabricado pela Texas Instruments. / This work presents the study, modeling and design of a photovoltaic conversion system for the connection of a photovoltaic module with the grid. In this research three converters are approached to adequate the generated energy for a photovoltaic panel and to transfer the energy to the grid. The first converter is an interleaved two-level boost responsible for implementing the MPPT (Maximum Power Point Tracking) the second converter is a Resonant LLC that performs galvanic isolation and the third converter is a complete bridge inverter that keeps the bus voltage at a certain value and performs the conversion of continuos current to alternating current. The three converters are designed, calculating the passive elements that compose them and simulating the obtained circuits. Also, the modeling of the inverters and the design of the controllers are performed using small signal analysis. Simulation results are presented using the PSIM and MATLAB software. In the experimental part the first two inverters are verified using the High Voltage Isolated Solar MPPT kit manufactured by Texas Instruments.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In photovoltaic systems, the lowest energy cost is not always achieved by an inverter with minimized cost or maximized efficiency. It is important to adopt methodologies that optimize the balance between system losses and costs. The Levelized Cost of Electricity minimization methodology, presented in literature, obtains an optimized inverter design, but needs variables like discount rate and maintenance costs. This study proposes a methodology for design and comparison of photovoltaic inverters that is simpler and is based on the adoption of a cost per Watt reference. It minimizes the energy cost considering the photovoltaic initial system cost and design specifications. This methodology is presented in detail, including an inverter design example that analyses losses and cost of all components, and also the irradiance of the photovoltaic installation place. Experimental results are presented to validate the proposed methodology. / Em sistemas fotovoltaicos, o menor custo da energia gerada nem sempre é obtido com inversores de custo minimizado ou eficiência maximizada. Para o custo da energia seja minimizado, é importante empregar metodologias de projeto que otimizem o compromisso entre perdas e custos. A metodologia de minimização do custo nivelado da eletricidade, a mais difundida na literatura, permite obter um projeto otimizado do inversor, mas necessita de variáveis como taxa de desconto e custos de manutenção do sistema fotovoltaico. Este trabalho propõe uma metodologia para projeto e comparação de inversores fotovoltaicos mais simples, baseada na adoção de um custo por Watt de referência. Essa metodologia objetiva reduzir o custo da energia produzida considerando apenas o custo inicial do sistema fotovoltaico e as restrições associadas às especificações de projeto. A metodologia proposta é apresentada em detalhes, incluindo um exemplo de projeto de inversor que analisa as perdas e custos dos componentes, além do perfil de irradiação do local de instalação do sistema fotovoltaico. Resultados experimentais são apresentados para validação da metodologia proposta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This Master Thesis presents the development of a grid-connected transformerless three-phase photovoltaic inverter. The Neutral Point Clamped (NPC) three-level inverter was chosen for implementation. The grid connection is made with a modified LCL filter (MLCL), where the common point of the output filter capacitors is connected directly to the dc bus central point (neutral point). The MLCL filter reduces the leakage current of photovoltaic system and attenuates the current harmonics injected in the grid. A passive damping of MLCL filter resonance peak was employed in order to avoid instability in the grid connection. In this sense, this Master Thesis contributes proposing a passive damping design method which is based not only on the stability requirement, but also considers the leakage current of photovoltaic system, once that passive damping impacts on the high frequency components of voltage on parasitic capacitance. Therefore, based on leakage current limit and current loop stability, a range for the damping resistance was obtained. The control system of the threephase inverter was developed in a synchronous reference frame (dq0), where the proper alignment with the grid voltage reference vector allows the independent control of active and reactive power inject in the grid. Simulation and experimental results are shown to evaluate the inverter performance and to validate the theoretical analysis. / Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um inversor fotovoltaico trifásico não isolado conectado à rede. A topologia desenvolvida foi a de um inversor trifásico três níveis com ponto neutro grampeado (NPC Neutral Point Clamped). A conexão com a rede é feita através de um filtro LCL modificado (LCLM), que possui o ponto comum dos seus capacitores conectado ao ponto central do barramento CC do inversor. O filtro LCLM possui a finalidade de reduzir a corrente de fuga do sistema fotovoltaico ao mesmo tempo em que atenua os harmônicos de corrente injetados na rede. De modo a evitar problemas de instabilidade da malha de corrente do inversor, um sistema de amortecimento passivo do pico de ressonância do filtro LCLM foi empregado. Neste sentido, esta Dissertação de Mestrado contribui propondo um método de projeto do amortecimento passivo que se baseia não somente no critério de estabilidade, mas que também considera a corrente de fuga do sistema fotovoltaico, uma vez que o amortecimento impacta na atenuação das componentes de alta frequência da tensão sobre a capacitância parasita dos módulos fotovoltaicos. Com isso, uma faixa de valores para a resistência de amortecimento foi obtida a partir do limite permitido para a corrente de fuga e da estabilidade da malha de corrente. O sistema de controle do inversor trifásico foi desenvolvido com base no sistema de coordenadas síncronas dq0, cujo correto alinhamento com o vetor de referência das tensões da rede permite o controle independente das potências ativa e reativa injetadas na rede. Resultados experimentais e de simulação são apresentados de modo a comprovar o desempenho do inversor trifásico.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:31:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-12-17Bitstream added on 2014-06-13T19:20:47Z : No. of bitstreams: 1 silvajunior_an_dr_botfca.pdf: 2640495 bytes, checksum: 5a1cf7d0c2044aa88eae209e5eb130e8 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / O presente trabalho teve por objetivo determinar o potencial de economia de energia elétrica nos sistemas de aeração de silos verticais a partir da implementação de controle eletrônico de velocidade do motor do aerador utilizando inversor de freqüência. O experimento foi montado no setor de armazenamento de grãos da empresa Indústria de Produtos Dallas Ltda, na cidade de Nova Alvorada do Sul (MS), no período de 25/03/04 a 22/10/04, sendo utilizados dois silos contendo, cada um, 5.000m3 de soja a 13,5% de umidade, aqui denominados silo 11 e silo 12. O sistema de aeração, em ambos os silos, era composto por um motor de indução com as especificações de 30cv, 4 polos, 380V, 60Hz, 1.765rpm, e ventilador com rotor de pás retas, inclinadas para trás, com característica de consumo de energia elétrica constante para uma mesma velocidade de rotação. O silo 11 foi definido como silo padrão e o aerador funcionou em 60Hz (1.765rpm) durante todo o período do experimento. O aerador do silo 12, cuja implementação de controle de velocidade foi efetuada por um inversor de freqüência, esteve ajustado para funcionamento em quatro estágios, 48Hz (1.405rpm), 45Hz (1.315rpm), 40Hz (1.165rpm) e 35Hz (1.015rpm). O parâmetro utilizado para a definição da freqüência (rotação) de cada estágio foi a vazão específica básica de ar (0,08m3/min.m3), recomendada pela Kleper Weber Industrial para aeração em silos planos e elevados, para grãos comerciais com umidade de até 14%. Os dados de temperatura no interior dos silos e os de temperatura e umidade do ar externo foram coletados através de sensores que alimentavam software de gerenciamento e controle automático de aeração existente na empresa e que,... / This work had the objective of determining the potential of economy of electric energy in the aeration systems of vertical silos through the implementation of electronic control of speed in the aerator engine, using a frequency inverter. The experiment was carried out in the grain storage sector at Produtos Dallas Ltda in Nova Alvorada do Sul (MS) in the period of 25/03/04 and 22/10/04. Two silos have been used, each one with 5.000 m3 of soy bean with 13.3 of humidity, named silo 11 and silo 12. The aeration system in both silos was composed of an induction engine with the specifications of 30cv, 4 poles, 380V, 60Hz, 1765 rpm, and of a ventilator with the following characteristics: a straight-shafted rotor, the shafts inclined backwards and a steady consumption of electric energy for the same rotation speed. Silo 11 was defined as the pattern silo and the aerator worked at 60Hz (1765 rpm) during the whole period of the experiment. The aerator of silo 12, whose implementation of speed control was made by a frequency inverter, was adjusted to work in four stages: 48Hz (1.405rpm), 45Hz (1.315rpm), 40Hz (1.165rpm) and 35Hz (1.015rpm). The parameter used to define frequency (rotation) of each stage was the basic specific air release (0,08m3 of air/min/m3grains), recommended by Kleper Weber Industrial for aeration in plain vertical silos, for commercial grains with humidity up to 14%. The data concerning the temperature inside the silos, the external temperature and the air humidity were collected through the sensors that fed the management software existing in the factory that, in turn, controlled automatically the aeration and, following a pre-arranged programming, determined the time to turn on/turn off the aerators. Considering the rotation of the aerators in each stage of frequency and making use of the software MAEV-2000,...(Complete abstract, click electronic access below)

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EDUARDO MALDAUN BARRETO.pdf: 3234972 bytes, checksum: 1d2d2b79d8a4946c00677b6193158089 (MD5) Previous issue date: 2011-12-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work present a study of a three level NPC (Neutral Point Clamped), with ZVS (Zero Voltage Switching) and PWM (Pulse Width Modulation) control strategy, using a FPGA (Field Programmable Gate Array) for digital control and switches activation. First, a theoretical study is done, where the main waveforms and operation stages are presented. After, a quantitative study is done in order to implement the NPC inverter. Based on the calculations, the mathematical models for each inverter section are extracted to implement the digital control. The project data is then compiled and simulated on Orcad Pspice and Simulink software. Finally, an 1.5 kW, 800 V input voltage, 127 V or 220 V output voltage, and 200 kHz switching frequency is implemented and the experimental results are compared with theoretical and simulated results / Este trabalho apresenta o estudo de um inversor NPC (Neutral Point Clamped) a três níveis com comutação suave ZVS (Zero Voltage Switching) e controle PWM (Pulse Width Modulation), fazendo o uso de uma lógica programável do tipo FPGA (Field Programmable Gate Array) para controle e acionamento das chaves. Inicialmente é feito um estudo qualitativo do inversor, onde as principais formas de onda e etapas de operação são apresentadas, a seguir são estudados os aspectos quantitativos para, desta forma, efetuar o projeto do inversor. Com o inversor definido, todos os modelos matemáticos de todos os circuitos necessários para se realizar o controle digital do inversor são apresentados, assim como o projeto de um controlador digital. Utilizando os dados de projeto do inversor NPC ZVS PWM e controle, os resultados de simulações feitas nos programas Orcad Pspice e Simulink são obtidos. Por fim, um protótipo de 1,5 kW, 800 V de tensão de entrada, 127 V ou 220 V de tensão de saída e 200 kHz de frequência de comutação é montado e os resultados experimentais são avaliados e comparados com os previamente obtidos numericamente e por simulação.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:57:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2400808 bytes, checksum: 3c7c682278f78e771b9fee7c273a134b (MD5) Previous issue date: 2013-10-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work presents a technique to suppress saturation in series transformers applied to dynamic voltage restorer (DVR) systems. The technique consists in correcting the voltages which are injected through the transformers into the power system to compensate voltage sags. The presented method ensures complete elimination of the DC flux-linkage or shifts the flux-linkage curve, restricting their AC amplitude, so that the flux level does not exceed the limits of the transformer, preventing it works in the saturation region. The validation of this method will be realized from simulations and experimental results. / Este trabalho apresenta uma técnica para evitar a saturação dos transformadores de tensão em série aplicados em um restaurador dinâmico de tensão (DVR). A técnica consiste em alterar as tensões que são injetadas através dos transformadores para compensar afundamentos de tensão no sistema de potência. O método apresentado assegura uma eliminação completa do fluxo c.c. ou desloca a curva de fluxo, restringido sua amplitude c.a., de maneira que o nível de fluxo não exceda os limites do transformador, evitando que o mesmo trabalhe na região de saturação. A validação deste método será realizada a partir de simulações e resultados experimentais.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:54:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JeanPD_TESE.pdf: 2551926 bytes, checksum: 0cea6096dad85829234a17d89574bd1e (MD5) Previous issue date: 2010-07-15 / This work describes the study, the analysis, the project methodology and the constructive details of a high frequency DC/AC resonant series converter using sequential commutation techniques for the excitation of an inductive coupled thermal plasma torch. The aim of this thesis is to show the new modulation technique potentialities and to present a technological option for the high-frequency electronic power converters development. The resonant converter operates at 50 kW output power under a 400 kHz frequency and it is constituted by inverter cells using ultra-fast IGBT devices. In order to minimize the turn-off losses, the inverter cells operates in a ZVS mode referred by a modified PLL loop that maintains this condition stable, despite the load variations. The sequential pulse gating command strategy used it allows to operate the IGBT devices on its maximum power limits using the derating and destressing current scheme, as well as it propitiates a frequency multiplication of the inverters set. The output converter is connected to a series resonant circuit constituted by the applicator ICTP torch, a compensation capacitor and an impedance matching RF transformer. At the final, are presented the experimental results and the many tests achieved in laboratory as form to validate the proposed new technique / Este trabalho descreve o estudo, a an?lise, a metodologia de projeto e os detalhes de constru??o de um conversor ressonante CC/CA de alta freq??ncia usando t?cnicas de comuta??o seq?encial (sequential pulse gating), para a excita??o de uma tocha indutiva a plasma t?rmico. Esta tese objetiva mostrar a potencialidade desta nova t?cnica de modula??o e apresentar uma alternativa tecnol?gica para o projeto de conversores eletr?nicos de pot?ncia em altas freq??ncias. O conversor ressonante opera na freq??ncia nominal de 400 kHz, com pot?ncia de 50 kW, e ? constitu?do por c?lulas inversoras empregando chaves IGBTs de comuta??o r?pida. Para minimizar as perdas de comuta??o no corte, as c?lulas ressonantes operam no modo de chaveamento suave ZVS, referenciado por uma malha PLL modificada que mant?m esta condi??o est?vel apesar das varia??es de carga. A estrat?gia de comando por comuta??o seq?encial permite operar os dispositivos IGBTs no seu limite superior de pot?ncia usando as propriedades de redu??o (derating) e de al?vio (destressing) de corrente, assim como propicia um efeito de multiplica??o na freq??ncia final do conjunto de inversores. A sa?da do conversor ? conectada a um circuito ressonante s?rie formado pelo aplicador da tocha ICTP e um capacitor de compensa??o, por interm?dio de um transformador RF de adapta??o de imped?ncias. No final, s?o apresentados resultados experimentais e ensaios conduzidos em laborat?rio como forma de validar a nova t?cnica proposta

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents a contribution to the study of PWM sinusoidal inverters. It is presented some voltage output control techniques highlighting the advantages and disadvantages. One technique using two feedback loops and compensation by proportional integral compensators, besides showing a natural short circuit protection, is implemented and evaluated by studies, simulations and also experimentally. The design of constituent elements, the signal conditioning and the control firmware are shown, besides the mathematical modeling of the transfer functions for the controller. A prototype of a monophasic voltage inverter is assembled and its controller is implemented in a digital signal processor of 16 bits, fixed point, 40 MIPS, a DSPIC33FJ128MC706. The performance of the respective controller is analyzed with experimental results for the inverter supplying a linear and non linear load. / Este trabalho apresenta uma contribuição ao estudo de inversores de tensão PWM senoidais. São apresentadas algumas técnicas de controle da tensão de saída destacando vantagens e desvantagens. Uma técnica baseada em duas malhas de realimentação e compensação por meio de compensadores proporcional integral, além de possuir uma proteção natural contra curto circuito, é implementada e avaliada através de estudos, de simulação e também experimentalmente. O projeto dos elementos constituintes, o condicionamento de sinais e o firmware de controle são mostrados, além da modelagem matemática das funções que regem o controle. É construído um protótipo de um inversor monofásico de tensão cujo controlador digital é implementado em um processador de sinais de 16 bits, ponto fixo, 40 MIPS DSPIC33FJ128MC706. O desempenho do respectivo controlador é analisado através dos resultados experimentais para o inversor com carga linear e não linear. / Mestre em Ciências