This master thesis presents the development of an auxiliary power supply to provide energy to sensors, gate drivers, instrumentation circuits and control of a three-stage Solid State Transformer (SST). These devices require an insulated power supply of ±15V and 5V. For reason of reliability and modularity, a distributed auxiliary source is proposed. Thus, it is necessary a power supply to provide energy to the low voltage (LV) side and another to the medium voltage (MV) side. With this proposal, the auxiliary power supply does not need to have the same galvanic insulation of the SST, 25kV. However, a local power supply must operate at high voltage levels and, consequently, contain a high step-down voltage gain. Relative to LV side, the most generally used topologies as an auxiliary power supply are discussed. However, these topologies cannot be used at the MV converters, due to the high voltage stress levels involved. A study of topologies used on medium and high voltage and which enable to reach a high step-down voltage gain is realized, and two interesting topologies for this application were found. One of them uses a Flying capacitor converter connected in cascade with a Double-Ended Flyback converter. The Flying capacitor converter lowers the DC bus voltage in a controlled manner to low voltage levels. So the Double-ended Flyback converter operates in LV and provides the insulated outputs to command circuits of SST. The other topology is a unidirectional four-level NPC converter operating as Double-ended Flyback converter. For this case, a modulation strategy that allows the converter to reach a high step-down voltage gain was also proposed. These topologies were evaluated and the one which showed the best result was the four-level Double-ended Flyback converter. This converter was implemented and the experimental results prove to be effective. For the LV side, a Half-bridge LLC resonant converter as auxiliary power supply was used. This converter operates in ZVS and performs the output voltage regulation through the operating frequency variation. The experimental results of this converter are also presented. / Este trabalho de mestrado apresenta o desenvolvimento de fontes auxiliares para alimentar sensores, circuitos de comando, instrumentação e o controle de um Transformador de Estado Sólido (SST) de três estágios. Estes dispositivos necessitam de alimentação isolada com tensões de ±15V e 5V e por questões de confiabilidade e modularidade, propõe-se a utilização de fontes auxiliares distribuídas. Assim, emprega-se uma fonte auxiliar para alimentar o lado de média tensão (MT) e outra para alimentar o lado de baixa tensão (BT). Com essa proposta, as fontes auxiliares não necessitam ter a mesma isolação galvânica do SST, 25kV. Entretanto, uma das fontes locais deve operar em níveis de tensão elevados e, por consequência, apresentar baixo ganho estático. No lado de BT, as principais topologias normalmente utilizadas como fonte auxiliar são discutidas. No entanto, devido aos altos níveis de tensão envolvidos, estas topologias não podem ser aplicadas ao conversor que opera em MT. Um estudo sobre topologias aplicadas a média tensão e que possibilitam alcançar um baixo ganho estático é realizado, sendo que duas topologias se mostram interessantes para esta aplicação. Uma consiste na utilização de um conversor de capacitores flutuantes conectado em cascata com um conversor Double-Ended Flyback. O conversor de capacitores flutuantes rebaixa a tensão do barramento CC, de forma controlada, para baixa tensão. Assim o Double-Ended Flyback opera em BT e fornece as saídas isoladas para alimentar os circuitos de comando do SST. A outra topologia trata-se de um conversor NPC de quatro níveis unidirecional operando como conversor Double-Ended Flyback. Para este caso, também foi proposta uma estratégia de modulação que permite o conversor alcançar o baixo ganho estático. Essas topologias foram avaliadas, apresentando melhor resultado a esta aplicação o conversor Double-ended Flyback de quatro níveis, conforme será demonstrado neste trabalho. Esse conversor foi implementado e os resultados experimentais comprovam o seu funcionamento. Para a fonte do lado de BT utilizou-se um conversor Half-Bridge LLC ressonante que opera em ZVS e realiza a regulação da tensão de saída pela variação da frequência de operação. Os resultados experimentais deste conversor também são apresentados.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/8578 |
| Date | 31 August 2015 |
| Creators | Kehler, Leandro Becker |
| Contributors | Marchesan, Tiago Bandeira, Rosing, Cassiano Kuchenbecker, Coelho, Kefas Damazio, Pinheiro, José Renes |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UFSM, BR, Engenharia Elétrica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 300400000007, 400, 500, 300, 300, 300, 500, 0197cd95-ed8b-4ca0-89af-e654162d964d, 4e003d76-0955-49f1-abef-a9db6ca28ecc, 7791019a-cccc-43f4-8d84-1639cd5f53e8, 7f02d118-6c95-49ec-83b0-573886a474a8, d18bd681-bab1-42a2-8e9f-0412560790a1 |
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