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Este trabalho apresenta um estudo do conversor back-to-back (BTB) na perspectiva multivariável. Sistemas multivariáveis possuem algumas características particulares e, portanto, diferentes de plantas com única entrada e única saída (do inglês, single-input- single-output) (SISO). Logo, antes de estudar o BTB como um sistema de múltiplas entradas e múltiplas saídas (do inglês, multiple-inputs multiple-outputs) (MIMO), o trabalho revisita os principais conceitos de sistemas MIMO e apresenta diretrizes para analisar e controlar sistemas eletrônicos de potência multivariáveis. A principal diferença entre a análise de sistemas SISO e MIMO é a presença de direções. Sistemas MIMO lidam com vetores e, por este motivo, o ganho saída/entrada além de depender da frequência é afetado pela direção do vetor de entrada. Neste sentido, o conceito de valor singular máximo e mínimo são abordados como parte fundamental na análise e controle de plantas multivariáveis. Com a decomposição de valores singulares encontra-se as direções nas quais um sistema não-quadrado não pode ser controlado. A partir de outros conceitos, é possível definir, em plantas que possuem mais saídas que entradas, quais variáveis de saída não podem ser controladas. Neste trabalho é adotado o controle centralizado uma vez que é possível otimizar todo o sistema de controle, o que não é factível na estratégia descentralizada. Neste contexto, o regulador linear quadrático (do inglês, linear quadratic regulator) (LQR) se torna uma alternativa interessante devido às suas propriedades de robustez, desempenho e fácil implementação. O BTB é estudado em duas diferentes aplicações: i) conectado a duas redes elétricas de corrente alternada (CA) e ii) alimentando cargas isoladas. Para cada topologia um modelo detalhado em espaço de estados é desenvolvido e suas principais características analisadas através de ferramentas MIMO. Um projeto sistemático é proposto para direcionar a escolha das matrizes de pesos do LQR utilizado para projetar a lei de controle de ambas estruturas. O critério é baseado na análise da resposta em frequência dos valores singulares das matrizes de sensibilidade, de sensibilidade complementar, de sensibilidade a distúrbios e na minimização de suas normas infinitas. Resultados experimentais são apresentados para validar a abordagem teórica e verificar a eficácia do controle proposto. This thesis presents a study on back-to-back converter based on the multivariable system perspective. Multivariable systems have some unique characteristics. Thus, before studying the converter as a MIMO system, the work reviews the main concepts of MIMO systems and presents guidelines for analyzing and controlling multivariable power electronic converters. The main difference between the SISO and MIMO systems is the presence of directions. As the SISO system is one-dimensional, the output/input gain is a function only of the frequency value. MIMO systems deal with vectors and, as a consequence, the output/input gain not only depends on the frequency value but is also affected by the input vector direction. In this sense, the concept of maximum and minimum singular values are addressed as a fundamental part of analysis and control of multivariable plants. With the singular values decomposition, it is possible to find the directions in which a non-square system cannot be controlled. Based on other MIMO tools, it is possible to define, for plants that have more outputs than inputs, which outputs cannot be controlled. In this work the centralized control approach is adopted because it allows the overall control law optimization, which is not possible when the decentralized technique is used. In this context, the linear quadratic regulator becomes an interesting alternative due to its robustness and performance properties as well as easy implementation. The BTB topology is studied as a multivariable system in two different applications: i) interfacing two AC grids and ii) feeding local loads. For each system a comprehensive state-space model is developed and its main characteristics analyzed from a multivariable point of view. A systematic design is proposed to guide the choices of LQR weighting matrices. The criterion is based on the analysis of the singular values of the sensitivity, complementary sensitivity and disturbance sensitivity matrices and on the minimization of their infinity norms. Experimental results are presented to validate the theoretical approach and to show the effectiveness of the proposed multivariable control.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021. Topologias de inversores operando como interfaces com redes elétricas precisam ser adaptados para uso em redes monofásicas e trifásicas. Atualmente existem poucas opções disponíveis para sistemas de alto desempenho que permitem que tais inversores sejam prontamente reconfiguráveis para uma operação em ambos os modos. Contudo, pode-se obter vantagens ao se desenvolver um equipamento flexível capaz de realizar uma reconfiguração automática ou quase-automática. Este trabalho propõe uma topologia que permite a operação monofásica ou trifásica para inversores conectados à rede baseada na reconfiguração do mesmo sem gerar esforços muito diferentes em seus componentes e possibilitando um desempenho similar aos inversores sem esta capacidade. Uma das células de comutação do inversor opera como um circuito de controle de ondulação ativa no modo monofásico e, assim, reduz a ondulação de tensão de segunda ordem que vem com o descasamento entre a potência processada de uma fonte de energia contínua e a potência pulsante de uma rede te tensão alternada. Este célula de comutação é utilizada como uma das fases na operação trifásica. A utilização de uma topologia de três níveis para o modo trifásico permite um alto desempenho em uma ampla faixa de aplicações, incluindo a conexão com a rede sem transformador devido à possibilidade de operação com baixa tensão de modo comum. Abstract: Typical inverter topologies operating as interfaces to electrical networks need to be adapted for use in the respective single- or three-phase networks. There are currently only a few options available for high performance power conversion systems that allow such inverters to be readily reconfigurable for operation in either mode. However, advantages can be obtained by developing flexible equipment that are capable of performing an automatic or quasi-automatic reconfiguration. This work proposes a topology that allows single- or three-phase operation for grid-connected inverters based on its reconfiguration without producing highly unbalanced efforts in its components and enabling a similar performance to inverters without this capacity. One of the inverter switching cells operates as an active ripple control circuit in single-phase mode and, thus, reduces the second-order voltage ripple that is generated with the mismatch between the processed power of a continuous power source and the pulsating power of an alternating current network. This switching cell is used as one of the phases in three-phase operation. The use of a three-level topology for the three-phase mode allows high performance in a wide range of applications, including transformerless grid connection due to the possibility of common mode low voltage operation.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2019. Embarcações movidas a propulsão elétrica (MES - more-electric ships) e sistemas submersos de extração de óleo são tipicamente alimentados por geradores síncronos. Eles são impulsionados principalmente por turbinas a gás no caso de óleo e gás (O&G) ou motores a diesel em MESs. Em nenhuma destas aplicações o gerador deve experimentar uma operação regenerativa, ou seja, ele não opera com fluxo de potência reverso. Os retificadores unidirecionais de média tensão possuem características elétricas favoráveis às aplicações, além de oferecer proteção natural contra reversões de fluxo de energia. Assim, propõe-se um retificador híbrido transformerless baseado em uma ponte de diodos comutando na frequência da rede, o qual processa o fluxo da maior parte da energia elétrica, aliada à redundância e maior frequência de operação de submódulos (SMs) de conversor multinível modular (MMC - modular multilevel converter). Os SM do retificador híbrido proposto sintetizam formas de onda idealmente compostas de harmônicos com três ou seis vezes a frequência da rede. Assim, as oscilações de potência nos capacitores dos SM são deslocadas para frequências superiores às de um MMC convencional. A capacitância geral necessária é consequentemente reduzida. Além disso, um número muito menor de SMs é necessário quando comparado a um MMC trifásico convencional. Essas características são bem-vindas nas aplicações apresentadas. Este trabalho discute o dimensionamento, operação e controle do conversor proposto. Abstract: More-electric ships (MESs) and subsea oil processing electric power systems are typically fed by synchronous generators. These are primarily driven by gas turbines in the case of O\&G or diesel engines in MESs. In neither of these applications the generators should experience regenerative operation, i.e., they do not operate under reversed power flow. Medium voltage dc unidirectional rectifiers are well suited and provide natural protection against power flow reversals. Thus, a hybrid transformerless rectifier concept that is based on line commutated diodes to transfer a large portion of electric power allied with the redundancy and higher operating frequency of modular multilevel converter (MMC) submodules (SMs) is proposed. The hybrid rectifier operates the MMC SMs to synthesize waveforms that are ideally composed of triplen harmonics. Therefore, the frequency of the power oscillations at the capacitors are shifted to frequencies higher than those of a conventional MMC. The overall required capacitance is consequently reduced. Furthermore, a much lower number of SMs is required when compared to a conventional three-phase MMC. These characteristics are welcome in the cited applications. This work discusses how to size, operate and control the proposed system.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq This doctoral thesis proposes a method for regulating the secondary voltage of distribution systems based on the identification of ZIP models of the load (constant impedance, constant current and constant power) at the interface of medium and low voltage distribution networks. The proposed method considers the variation of the secondary voltage within the appropriate limits established in current regulations and the identification of the behavior of the load against this variation, which allows the equipment that regulates the secondary voltage to operate according to pre-established objectives, such as: reduction of losses, load shedding, control over the billing of utility companies and on the injection of distributed generation. For this, the geometric analysis of normalized ZIP load models is proposed in this paper, which in a generalized fashion, describes the behavior of the load power and/or current for voltage variations based on the coefficients that compose the model. It should be noticed that the proposed method is applicable to any equipment that allows variation of the magnitude of the grid voltage. In this work, the proposed method is employed considering as voltage regulating agents the transformers which employ electronic on-load tap changers, which are equipped with a bidirectional communication system, allowing: the regulation of the secondary voltage, the grid monitoring, it also allows obtaining the load model at the point of installation of the equipment and the definition of the optimization goal of the grid that the equipment must prioritize. Throughout the work are presented analyzes regarding the geometric interpretation of standardized ZIP models, as well as the proposed method for regulation of secondary voltage, experimental results regarding the obtaining of load models from electronic tap changers and simulation results employing the voltage regulation method proposed in a standard 13-bus IEEE distribution network. Esta tese de doutorado propõe um método de regulação da tensão secundária de sistemas de distribuição a partir da identificação de modelos de carga do tipo ZIP (impedância constante, corrente constante e potência constante) na interface das redes de distribuição de média e baixa tensão. O método proposto considera a variação da tensão secundária dentro dos limites adequados previstos em normativa vigente e a identificação do comportamento da carga frente a essa variação, o que possibilita ao equipamento que regula a tensão secundária a operação de acordo com objetivos preestabelecidos, tais como: redução de perdas, contingenciamento de carga, controle sobre o faturamento das companhias concessionárias e sobre a injeção de geração distribuída. Para isso, é proposta neste trabalho a análise geométrica dos modelos de carga do tipo ZIP normalizados, que possibilita, de maneira generalizada, descrever o comportamento da potência e/ou corrente da carga para variações de tensão a partir dos coeficientes que compõem o modelo. Cabe destacar que o método proposto é aplicável a qualquer equipamento que possibilite a variação da magnitude da tensão da rede. Neste trabalho, o método proposto é empregado considerando como agentes de regulação da tensão secundária os transformadores com comutação eletrônica de taps, os quais são equipados com sistema de comunicação bidirecional, que possibilitam além da regulação da tensão secundária o monitoramento da rede e obtenção do modelo de carga no ponto de instalação do equipamento e a definição do objetivo de otimização da rede que o equipamento deve priorizar. Ao longo do trabalho são apresentadas análises referentes à interpretação geométrica dos modelos ZIP normalizados, bem como o método proposto para regulação da tensão secundária, além de resultados experimentais relativos à obtenção de modelos de carga a partir de comutadores eletrônicos de taps e resultados de simulação empregando o método de regulação de tensão proposto em uma rede de distribuição padrão de 13 barras da IEEE.

This PhD thesis presents the development of models of magnetic elements for high frequency and insulation classes. Currently, there is an increasing demand for implementation of such elements as the power electronics has innovated with the development of technologies capable of operating under such conditions, high frequency and voltage. Different applications such as smart grids, distributed generation connection and solid-state transformers boost research in this area. The main motivation of this study is to develop a model to emulate the magnetic element, both for electrical insulation design as to verify the interaction of the element with the electronic circuit in which it is inserted. The model was based on the techno-scientific literature dedicated to power transformers, which have high insulation classes, but do not operate at high frequency. A new method is proposed for calculating the value of the parasitic capacitance between conductors of circular cross-section. Design techniques with the objective of reducing the self-capacitance, or parasitic capacitance, are presented. Comparisons between experimental results and simulations of the proposed model are presented, proving its effectiveness. The proposed model is further expanded and applied if insulation material is required between the layers of the coils to raise its electrical insulation. In the same way, experimental tests are performed to prove the conclusions presented for this modeling. Essa Tese de Doutorado apresenta o desenvolvimento de modelos para elementos magnéticos para elevadas frequências e classes de isolação. Atualmente, há uma crescente demanda de aplicação destes elementos uma vez que a eletrônica de potência tem sido inovada com o surgimento de tecnologias capazes de operar sob estas condições, elevada frequência e tensão. Diferentes aplicações como redes inteligentes, conexão de gerações distribuídas e transformadores de estado sólido impulsionam as pesquisas nestas áreas. A principal motivação deste estudo é o desenvolvimento de um modelo capaz de emular o elemento magnético, tanto para o projeto de isolação elétrica como para verificar a interação do elemento com o circuito eletrônico no qual está inserido. O modelo proposto foi baseado na literatura tecno-científica dedicada a transformadores de potência, que apresentam elevadas classes de isolação, porém não operam em elevada frequência. É proposto um novo método para o cálculo do valor da capacitância parasita entre condutores de secção transversal circular. Técnicas de projeto com o objetivo de redução da auto capacitância, ou capacitância parasita, são apresentadas. São apresentadas comparações entre resultados experimentais e simulações do modelo proposto comprovando a eficácia do mesmo. O modelo proposto é ainda expandido e aplicado para o caso de material isolador ser necessário entre as camadas das bobinas para elevar o isolamento elétrico das mesmas. Da mesma forma, são realizados testes experimentais para comprovar as conclusões apresentadas para esta modelagem.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018. O setor elétrico mundial enfrenta um período de transição, em que a crescente conscientização ambiental do consumidor se alia à possibilidade de geração de energia elétrica localmente em menores proporções. A descentralização da geração, e a disseminação, em larga escala, de redes de comunicação no sistema elétrico abrem caminho para as chamadas redes inteligentes. Nessa conjuntura, as microrredes são uma alternativa viável para a integração de fontes e cargas locais de maneira controlada, prometendo maior eficiência energética e confiabilidade. Com o crescente número de microrredes implantadas, estas podem criar entre si sistemas independentes da rede elétrica principal, formando as chamadas multimicrorredes. Este trabalho explora diversos métodos descentralizados de divisão de potência para microrredes de características variadas, levando em consideração não idealidades do sistema. Os requisitos para a interconexão de microrredes são levantados, e uma abordagem unificada para realização da interface entre elas é proposta. A viabilidade do método é testada em uma simulação de um sistema multimicrorredes, com os equipamentos modelados a valores médios. A operação conjunta de microrredes que empregam métodos distintos de divisão de potência é avaliada, bem como o impacto das características das impedâncias das linhas que interligam os sistemas. Abstract : The global electric sector faces a transition period, with consumer's growing environmental awareness and the possibility of generating power locally, in smaller proportions. Decentralized energy generation, together with large scale deployment of communication networks within the power grid paves the way for the smart grids. In this context, the microgrids are a viable alternative for integrating both local sources and loads in a controlled manner, promising more efficiency and reliability system-wide. With the growing number of microgrid deployments, they can form electrical systems among themselves, independent from the mains, creating what is known as a multimicrogrid. This work explores several decentralized methods for power sharing among sources within a microgrid, taking into consideration non-ideal operating conditions. Microgrid interconnection requirements are studied, and a unified approach for interfacing microgrids is proposed. The method's viability is tested through multimicrogrid system simulation, with average value models for the required equipment. Joint operation for microgrids employing distinct power sharing methods is evaluated, as well as the impact of interconnection line impedances.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018. Uma vez disponível exclusivamente para modelos com transitórios lentos como os de sistemas de potência, a simulação em tempo-real de circuitos elétricos foi melhorada com o crescimento do poder computacional disponível, e é hoje parte crucial do processo de desenvolvimento de novas soluções de engenharia elétrica em diversas áreas especialmente quando em uma configuração hardware-in-the-loop. Nesta dissertação, noções de alguns dos aspectos teóricos fundamentais de softwares de simulação de circuitos gerais são primeiramente mostradas: a representação por grafos, a análise por variáveis de estado e a análise nodal. Posteriormente, características e restrições importantes de métodos orientados à ope-ração em tempo-real são discutidos. Finalmente, a avaliação de um sistema estado-da-arte apto a testes hardware-in-the-loop, o simulador em tempo-real baseado em CPU e FPGA OPAL-RT OP5700, é apresentada em termos de velocidade e exatidão. Abstract : Once available exclusively for slow transient models such as those of power systems, the real-time simulation of electric circuits was improved with the growth of the available computing power, and is nowadays a crucial part of the design process of new electrical engineering solutions in several areas -- especially when in a hardware-in-the-loop configuration. In this master's thesis some of the fundamental theoretical aspects of general circuit simulation softwares are initially outlined: the graph representation, the state-variable analysis and the nodal analysis. Afterwards, important characteristics and restrictions of real-time operation oriented methods are discussed. Finally, the evaluation of a state-of-the-art hardware-in-the-loop testing capable system, the CPU/FPGA-based OPAL-RT OP5700 real-time simulator, is presented in terms of speed and accuracy.

This doctoral thesis presents contributions to the study and development of distributed control systems applied to the Modular Multilevel Converter (MMC) operating with a high number of submodules (SMs), which is the most promising multilevel converter topology, especially in high voltage and high power applications. Initially, operating principle, main concepts and a power flow analysis are presented in order to justify the proposal. Based on the MMC power flow analysis, a control system is proposed to ensure the power balance between the dc voltage bus and the ac power grid, the power processing distribution between the arms and the individual capacitor voltage control, with the control of N–1 capacitor voltages. One of the main MMC implementation challenges is to ensure the suitable control of SM floating capacitors with an easily scalable control system with reduced communication complexity. Thus, a distributed control structure using sliding mode observer approach is proposed to reduce the data flowing among through between the SMs needed to implement the MMC control system. With this concept, the sliding-mode observer approach consists of: (i) an equivalent capacitor voltage observer in the continuous-time domain, which are discretized for processor implementation; and (ii) an equivalent capacitor voltage observer in the discrete-time domain. Regarding the equivalent observers, the design methodology for continuous-time and the results for the discretized observer are presented. The design methodology of the discrete-time equivalent capacitor voltage observer is shown in discrete-time to guarantee the steady-state and the transient performances and the results for the discrete observer are presented. The Lyapunov stability analysis is presented for each observer. Finally, it is worth to emphasize that simulation and experimental results are presented considering the observer and the control performances under different operating conditions. Esta Tese de Doutorado apresenta contribuições ao estudo e ao desenvolvimento de sistemas de controle distribuídos aplicados ao Conversor Multinível Modular (MMC) operando com elevado número de submódulos (SMs), que é uma das topologias mais promissoras de conversores multiníveis, principalmente em aplicações em alta tensão e alta potência. Inicialmente, são apresentados o princípio de funcionamento, os principais conceitos e uma análise do fluxo de potência do conversor. Com base na análise do fluxo de potência, é proposto um sistema de controle para garantir o balanço de potência entre o barramento CC e a rede elétrica CA, a distribuição de potência entre os polos e o ajuste individual das tensões dos capacitores, sendo controladas as N–1 tensões dos capacitores. Um dos principais desafios do uso do MMC é a forma de implementação dos sistemas de controle, modulação e comunicação. Sugere-se que o funcionamento adequado do MMC seja obtido através de sistemas de controle, modulação e comunicação facilmente expansíveis. Assim, é proposta uma estrutura de controle distribuído que possibilita a redução do fluxo de informações necessárias entre os SMs para implementar o sistema de controle do MMC fazendo o uso de observadores por modos deslizantes. Através deste conceito, o desenvolvimento dos observadores é apresentado em duas análises principais: (i) observador das tensões equivalentes em tempo contínuo, discretizados para a implementação em processadores; e (ii) observador das tensões equivalentes em tempo discreto. Em relação aos observadores em tempo contínuo é apresentada a metodologia de projeto em tempo contínuo e resultados dos observadores discretizados. Já para o observador no tempo discreto é apresentada a metodologia de projeto para garantir desempenhos transitório e em regime permanente e resultados do observador discreto. Além disso, são apresentadas as análises de estabilidade por Lyapunov de cada observador. Resultados de simulações e experimentais do sistema completo são apresentados considerando o desempenho dos observadores e do sistema de controle sob diferentes condições de operação.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-02-01T16:36:02Z No. of bitstreams: 1 866219.pdf: 1546055 bytes, checksum: a4bdd9b49dc2840d6c03469570e40712 (MD5) Made available in DSpace on 2019-02-01T16:36:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 866219.pdf: 1546055 bytes, checksum: a4bdd9b49dc2840d6c03469570e40712 (MD5) Previous issue date: 2017-03 Esta dissertação apresenta um estudo de um controle de velocidade de um motor de indução trifásico por orientação de campo magnético, sem sensores e interligado através de um umbilical submarino. Para este estudo, o modelo elétrico reproduz um sistema que é empregado para acionamento de bombas submarinas e que são utilizadas para elevação de óleo em campos marítimos. O cabo longo e a ausência de sensores, requisitos da aplicação, podem prejudicar ou comprometer o desempenho do motor. Para viabilizar o controle por orientação de campo, este trabalho traz para esta aplicação o uso de observadores de campo e estimadores de velocidade que substituem os sensores, normalmente utilizados neste tipo de controle. Para melhorar o desempenho, o trabalho ainda apresenta uma técnica para compensar matematicamente os efeitos do cabo e filtro utilizados no sistema elétrico e que estão instalados na saída do conversor. O sistema proposto é submetido à simulações que reproduzem diferentes condições de operações previstas de ocorrer em campo. As simulações realizadas ainda apresentam a comparação do desempenho do controle proposto frente ao desempenho do sistema operando com um controle escalar. Os resultados encontrados mostram que o controle de velocidade por orientação de campo proposto para a aplicação utilizando cabo longo é robusto e viável. This work presents a study of sensorless speed control by field orientation considering the use of a three-phase induction motor fed through long cables through subsea umbilicals. For this study, the adopted electrical model reproduces a system that is used to drive a subsea pump in offshore oil fields. The long tieback and the absence of sensors, as an application requirement, can undermine or compromise motor performance. To make the field-oriented control feasible to the proposed scenario, this work brings the use of field observers and speed estimators instead the use of sensors that are typically used in this type of control. To improve performance, this dissertation brings a technique to compensate the effects of cable and filter installed in the output of the converter. The proposed system is submitted to simulations that reproduce different conditions of predicted field operations. The simulations also show the comparison of the performance of the proposed control against the performance of the system with a scalar control. The results here presented show that the speed control proposed for the application using long cable is robust and feasible.

Submitted by Aglair Aguiar (aglair@ct.ufrj.br) on 2019-01-09T16:28:44Z No. of bitstreams: 1 866210.pdf: 4254097 bytes, checksum: 781110cbc8dbda19b1996f4852a2b2aa (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-09T16:28:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 866210.pdf: 4254097 bytes, checksum: 781110cbc8dbda19b1996f4852a2b2aa (MD5) Previous issue date: 2017-03 No mundo de captação de óleo offhsore, a necessidade de expansão de bombeamento e processamento submarino vêm aumentado cada vez mais nos últimos anos em decorrência principalmente da busca pela otimização de recursos e espaço nas plataformas, sendo que a opção de bombeamento submarino muitas vezes é a única viabilizadora de projetos de produção. Assim, para se lograr tal feito, antes é necessário que haja a devida disponibilidade de sistemas elétricos de potência para atender esta demanda crescente. Desta forma, este trabalho visa estudar em profundidade as questões relacionadas ao sistema de proteção para uma possível distribuição elétrica submarina. Para este sistema está sendo considerado uma rede de distribuição não-aterrada, devido suas vantagens nas questões de não haver grandes magnitudes de correntes para faltas à terra. O uso de umbilicais submarinos em sistemas não aterrados traz alguns desafios para os casos de faltas à terra, pois acarretam em correntes capacitivas que contribuem para faltas em circuitos adjacentes. Tal efeito acaba por dificultar o simples uso de proteções convencionais de sobrecorrente para sistemas radiais de distribuição, acarretando em maiores desafios no quesito de proteção. É proposto neste trabalho a modelagem no software Matlab/Simulink das funções de proteção para que haja a devida confiabilidade no sistema de proteção tanto para faltas trifásicas quanto monofásicas desde a saída da plataforma até os terminais dos conversores de frequência submarinos. É apresentada, então, uma proposta de sistema de proteção baseado em funções direcionais de neutro utilizando medições de tensão local ou remotamente, ou mesmo sem leitura de tensão. Resultados de simulação são apresentados e analisados e confirmam sua viabilidade técnica como uma alternativa para serem aplicados nas redes elétricas submarinas do futuro. In the offshore world, the need for pumping expansion and subsea processing has been increasing in recent years mainly due to the search for optimization of resources and space in the platforms, in addition, a lot of cases, the subsea pumping is the only feasible of production projects. Thus, in order to achieve this, it is necessary to have the availability of power systems to meet this growing demand. In this way, this work aims to study the issues related to the protection system for a possible subsea distribution power system. For this system, an ungrounded distribution network is being considered, due to its advantages in the issues of not having large magnitudes of currents for ground faults. One of the issues to be studied in this work is the particularity of the use of power umbilicals for this submarine electrical distribution system. The use of power cable in ungrounded systems presents some challenges for earth faults as they lead to capacitive currents that contribute to faults in adjacent circuits. Such an effect ends up hampering the simple use of conventional overcurrent protections for radial distribution systems, leading to greater protection challenges. It is proposed in this work the modeling in the Matlab / Simulink software of the protection functions so that there is due reliability in the protection system for both threephase and single-phase faults from the platform exit to the terminals of the subsea frequency converters. A proposal for a protection system based on neutral directional functions using local or remote voltage measurements, or even without voltage tranformer, is presented. Simulation results are presented and analyzed and confirm their technical viability as an alternative to be applied in the subsea power system of the future.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017. Uma das tendências dentro da eletrônica de potência atualmente é a aplicação de conversores de energia para a operação em microrredes, o que na essência é eletrônica de potência aplicada a sistemas de distribuição de energia elétrica. Tipicamente, microrredes são redes elétricas compostas por diversas fontes e cargas, o que implica em diversas interações fontes-fontes e fontes-cargas. O propósito deste trabalho é modelar, propor técnicas de controle e analisar a estabilidade paramétrica de pequenas microrredes CC e CA. Um dos grandes problemas que existem na operação de microrredes é quando diversas fontes operam em paralelo e compartilham um conjunto de cargas. O controle por droop é a técnica mais popular para lidar com este tipo de problema, mas possui o contraponto de introduzir não linearidades no sistema. Por conta disso, este trabalho propõe o uso de ferramentas matemáticas como a teoria de bifurcações para compreender o comportamento dinâmico de microrredes. Este procedimento permite um entendimento mais amplo quando comparado com técnicas tradicionais baseadas em modelos linearizados, além de fornecer mais informações que permitem otimizar o funcionamento do sistema garantindo a sua estabilidade. Uma parte significativa deste trabalho possui uma natureza teórica, com exceção de um caso de estudo envolvendo o paralelismo de conversores CC-CA, em que resultados experimentais são apresentados. Abstract : Nowadays, one of the trends within power electronics is the application of power converters in microgrids, which in essence means power electronics applied to electric power distribution systems. As microgrids can be dc, ac, or even hybrid networks, they are complex systems with many source-source and source-load-type interactions. The focus of this work is to model, propose control techniques, and to verify the stability of a small ac and dc microgrids through parametric diagrams. Load sharing is one of the major issues within microgrids, and it is defined as how several voltage sources operate in parallel feeding a given load set. Droop control is the standard approach towards the load sharing problem in microgrids, but this control can make the system unstable due to some nonlinearities introduced into the microgrid?s operation. For that reason, nonlinear dynamic analysis techniques are used here to understand the microgrid?s dynamic behavior. In particular, bifurcation theory offers a broader insight into the system dynamics when compared to usual techniques based on linear models. Moreover, bifurcation theory can optimize the microgrid operation and, thus, increase the system stability range due to a better understanding on how a group of parameters can influence the microgrid operation.A significant part of this thesis consists of a theoretical study, with the exception of one case study involving the parallelism of two dc-ac power converters, where experimental results are shown to validate the theoretical premises.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017. Este trabalho apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conversor wireless para carregar supercapacitores, que utiliza redes de imitância para sintonizar o primário e o secundário de um transformador com baixo coeficiente de acoplamento. A frequência de operação do conversor é a frequência de ressonância das redes de imitância e, nesta condição, a rede opera como um conversor V/I (a fonte de tensão na entrada é convertida em fonte de corrente na saída). A rede de imitância do primário alimenta o transformador com corrente de amplitude constante. A rede de imitância no secundário assegura a comutação suave do retificador e corrente constante com baixa ondulação na saída do conversor para toda faixa de operação da tensão na carga. Conversores com esta característica são adequados para alimentar cargas como supercapacitores e baterias. O projeto de um transformador wireless é apresentado e, utilizando o método de elementos finitos (MEF), são obtidos gráficos com as curvas das indutâncias próprias (L 2 e L 3 ), da indutância mútua (M), do fator de acoplamento (K) e da potência transferida do primário para o secundário (P) em função do gap e do desalinhamento. As etapas de operação e as formas de onda do conversor com retificador com comutação suave são apresentadas. A partir do circuito elétrico equivalente proposto são obtidas equações simplificadas para otimização do projeto do conversor. Os resultados da co-simulação, simulação digital numérica do conversor integrada com a simulação pelo MEF do transformador e os resultados da simulação comparados com os resultados experimentais obtidos no protótipo construído demonstram a viabilidade deste conceito. A divisão equilibrada da carga entre transformadores wireless utilizando um módulo sintonizado é proposta e sua aplicabilidade é confirmada na análise da simulação e dos resultados experimentais. Abstract: This work presents the study and development of a wireless power converter to charge supercapacitors based on an inductive link. Such converter uses immittance networks to improve tuning of the primary and secondary-side circuits. The converter operating frequency is the resonant frequency of the immittance networks and in this condition it operates as a V/I converter. Thus, the voltage source at the input of the network is converted to a current source at its output. The primary-side immittance network feeds the transformer ideally with a constant current level. The immittance network at the secondary-side ensures soft switching in the rectifier and low ripple constant current at the converter output for the complete load voltage range. Converters with this feature are suitable for powering loads such as supercapacitors and batteries. The wireless transformer design is presented and, using the finite element method (FEM), the values of the self inductances (L 2 and L 3 ), the mutual inductance (M), the coupling factor (K) and the power transferred from the primary to the secondary side (P) as a function of the gap and misalignment are derived. The operation stages and waveforms of the soft switching in the rectifier are presented. Simplified equations for the converter design optimization are proposed from the analysis of the equivalent electrical circuit. The results of the performed co-simulation, i.e., the numerical simulation of the converter circuit integrated with the FEM simulation of the wireless transformer are compared with experimental results obtained in the built prototype that demonstrates the feasibility of this concept. The balanced division of the load between wireless transformers using a tuned module is proposed, and its applicability is confirmed in the analysis of the simulation and experimental results.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016. A operação de inversores em paralelo tem se tornado cada vez mais atrativa, já que permite, por exemplo, a formação de micro redes de energia elétrica através de fontes de energia renováveis. No entanto, esse tipo de operação é bastante sensível e exige controladores que garantam o adequado funcionamento do sistema. Diversas técnicas são propostas na literatura, entre elas, as baseadas no droop control. A grande maioria desses trabalhos utiliza modelos de pequenos sinais para análise de estabilidade e projeto do controlador. No entanto, esses modelos possuem limitações. Assim, nos últimos anos começaram a surgir modelos mais precisos, permitindo um estudo mais detalhado de sistemas cujos controladores são baseados no droop control. Uma das técnicas utilizadas são os fasores dinâmicos, que permite a descrição do sistema da perspectiva de grandes sinais. Dessa forma, um modelo baseado em fasores dinâmicos é proposto nesse trabalho, incluindo as principais dinâmicas do sistema. A partir desse modelo, também se projeta um controlador multivariável através de desigualdades matriciais lineares (LMIs), garantindo estabilidade e desempenho do sistema, considerando as incertezas paramétricas no modelo. Simulações emulam um cenário realista, onde os controladores propostos são digitalizados e implementados em dois inversores, os quais estão conectados em paralelo e alimentam uma carga variável. Os resultados de simulação demonstram a precisão do modelo e a eficiência do controlador proposto. Abstract: The parallel operation of voltage source inverters has become increasingly attractive, as it allows, for instance, microgrids formation through renewable energy sources. Nonetheless, the parallelism of inverters is a quite sensible operation and requires controllers capable of making the system works correctly. Several techniques are found in the specialized literature, among them, the droop control-based ones. Most of these works consider small-signal models to assess stability analysis and control design. However, these models have limitations. Thus, during the last years, more accurate models have been presented, allowing a more detailed study of droop controlled systems. Dynamic phasors are a powerful tool that permits the description of the system behavior from a large-signal perspective. Hence, a dynamic phasor model is proposed in this work, including the system most relevant dynamics. From this model, a controller design methodology based on linear matrix inequality (LMI) constraints is also proposed, and ensures the system stability and performance, taking parametric uncertainties into account. Simulations emulate a realistic scenario, where the controllers are discretized and implemented into two parallel-connected inverters, feeding a variable load. The simulation results show the model accuracy and the controller effectiveness.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. Neste trabalho é realizada a modelagem em espaço de estados por valores médios de um sistema de filtros ativos paralelos que empregam controladores ressonantes no sistema de eixos síncronos para a compensação de harmônicas de corrente. Servindo-se desse modelo, o objetivo principal desta pesquisa é realizar um estudo de estabilidade do sistema considerando a variação da característica de indutância e de resistência da rede com o intuito de encontrar melhores valores de ganho dos controladores ressonantes que garantam o funcionamento do sistema na faixa de operação desejada. Esse estudo é comparado a diversos métodos de análise de estabilidade baseados na observação da impedância de entrada do conversor controlado, incluindo o critério baseado em passividade, que, nessa pesquisa, se mostrou bastante relevante na análise de sistemas multiconversores. Os resultados obtidos com a metodologia empregada são comprovados por simulações e experimentação em um protótipo de 175 kVA. Abstract : This work presents the state-space averaged modeling of an active power filter system that employs resonant controllers in a synchronous reference frame for current harmonics compensation. Making use of that model, the main objective of this research is to carry out a system stability study considering the grid inductance and resistance characteristics variation in order to find better resonant controllers gain values that ensure the functioning of the system in the desired operation range. That study is compared to several methods of stability analysis based on the observation of the controlled converter input impedance, such as the Passivity-Based Stability Criterion, that, in this research, showed itself to be considerably relevant in the analysis of multiconverter systems. The results achieved through the methodology applied here are confirmed by simulation and experimentation tests using a 175 kVA prototype.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. Este trabalho apresenta o estudo de características que permitem elevar o rendimento de um sistema de conversão de energia eólica, dividido em três parte principais: estudo da máquina, do conversor e de umaestratégia de modulação escalar. A primeira parte se concentra na modelagem da máquina e na implementação de uma estratégia de minimização das perdas elétricas. A segunda apresenta uma topologiatrês-níveis com inserçãao de interruptores em delta do lado CA, a qual acresce a quantidade de vetores redundantes no espaço vetorial, permitindo escolher sequências de comutação que reduzam as emissões demodo comum ou as perdas por conduc~ao dos interruptores, gerando elevado rendimento. Por fim, o estudo trata de uma estratégia de modulação escalar que pode ser utilizada tanto em retificadores e inversorescomo em sistemas em back-to-back três-níveis, eliminando a ondulação de tensão de baixa frequência originada pela corrente de ponto central e as consequentes perdas geradas. Um protótipo de 10 kW contendo dois conversores da topologia estudada, baseados em dispositivos de SiC e conectados em back-to-back, foi construído para validar a análise teórica e para realizar a conexão de uma máquina de imãs permanentes,emulando um aerogerador, à rede elétrica. São fornecidos detalhes de implementação prática, como a substituição da tecnologia de capacitores e a ondulação da corrente no indutor do conversor conectado à rede bem como a metodologia adotada para o projeto dos controladores e envio dos sinais de comando dos interruptores. Resultados experimentais são apresentados, validando a análise teórica. Abstract : This work presents a study of the characteristics that allow an efficiency increase in a wind energy conversion system, which is partitioned into three main parts: machine analysis, topology and scalar modulation strategy. The first part focuses on the machine modelling and implementation of a electric loss minimization technique. The second presents a three-level topology with delta connected switches at the ac terminals. This brings an increase in the number of redundant states in the space vector plane, allowing the designer to choose switching sequences that may reduce common mode voltage emissions or the conduction losses of the switches, increasing efficiency. Lastly the study focuses on a scalar modulation technique, which may be used in thre-level rectifiers, inverters or back-to-back connected converters, eliminating the low frequency voltage ripple, caused by the central point current into the dc bus, and the associated losses. A full SiC back-toback 10-kW prototype was designed in order to validate the theoretical analysis and to connect a wind turbine to the grid. Practical design details are provided, such as the substitution of the capacitor technology and the current ripple at the grid connected converter, and the methodology for the controller design and command signals are shown. Experimental results are presented to validate the performed analysis.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico,. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. Neste trabalho são apresentados os estudos de retificadores bidirecionais aplicados para as redes de distribuição ativas com barramento em corrente contínua (CC) bipolar, assim como outros conversores, os quais desempenham importantes funções em tais redes. Possíveis arranjos destes em redes ativas de distribuição, incluindo microrredes em CC,são investigados e comparados. Além disto, neste trabalho é apresentado o estudo e a implementação prática de uma rede ativa em CC bipolar,centrado principalmente em rendimento da microrrede, ou seja, do ponto de vista das perdas globais do sistema de distribuição. Baseado nestes estudos será realizada a escolha da topologia de retificador que fará aconexão entre a rede principal e a microrrede em corrente contínua. Ao longo do trabalho, será mostrado que o conversor escolhido é o retificador NPC operando em três níveis, devido ao melhor rendimento apresentado. Buscando trazer melhorias para o conversor NPC, nesta tese será proposta uma técnica de modulação para o cancelamento da ondulação de baixa frequência da tensão do ponto central do referido conversor e, consequentemente sua melhor adaptação ao fornecimento de energia em barramento CC bipolar. Resultados de simulação e experimentais serão apresentados para demonstrar que a técnica para o cancelamento da ondulação de tensão do ponto central é efetiva. Por fim, será apresentada a proposta de incluir um circuito adicional ao NPC, para executar as funções de cancelamento da corrente de baixa frequência do ponto central da microrrede em toda a faixa de operação do retificador, assim como balancear as tensões dos barramentos parciais, em operação normal. Isto resolve algumas limitações inerente são conversor NPC no que se refere à sua capacidade de balanceamento do barramento CC em condições de carregamento desbalanceado. Além disto, em caso de falha de algum braço do retificador, este circuito poderá prover tolerância a falhas. Abstract: This work presents analysis of bidirectional power rectifiers applied tofuture dc bipolar active distribution networks, as well as other converters that perform important functions in such systems. Possible arrangements of these converters in active distribution networks, including dc microgrids, are investigated. Moreover, study and practical implementation of a dc bipolar active network, mainly focused on the system-wide efficiency, i.e., from the perspective of the overall system losses is discussed. Based on these losses the rectifier topology ischosen. This rectifier provides the interface between the main network to the dc active network. In the course of the work it is shown that thechosen converter is the three-level/-phase NPC, due to the achievable higher overall efficiency. In order to introduce improvements to theNPC converter, this work proposes a modulation technique for the cancellation of the dc-link center point low frequency current components. Simulation and experiment results are presented to show that the proposed center point cancellation technique is effective. Finally, an additional circuit is presented to be added to the originalNPC converter with the function to perform the cancellation of the dclink center point low frequency current in all operating range of rectifierand provide balance of the dc-link partial voltages, during regularoperation. This circuit solves the inherent limitations of the NPCrectifier regarding its ability to control the partial dc-link voltages underhighly unbalanced conditions. In case of failure of a rectifier leg this additional circuit can provide fault-tolerant operation.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. O setor elétrico passa por profundas mudanças nos últimos anos com a tendência de diminuição das emissões de carbono e uso de fontes de energia renováveis, descentralização na geração de energia com recursos energéticos distribuídos e associação de tecnologias de informação e comunicação na rede elétrica, resultando nas redes elétricas inteligentes. Nesse contexto, as microrredes surgem com grande interesse propondo uma integração dos conceitos em redes que podem operar independentemente da rede de distribuição de forma otimizada, aumentando a confiabilidade e eficiência do fornecimento de energia. Este trabalho foi realizado no âmbito de um projeto piloto de microrredes na Universidade Federal de Santa Catarina, com o objetivo de definir técnicas de controle primário para divisão de carga entre fontes despacháveis da microrrede, que podem ser tanto em corrente alternada quanto corrente contínua. Dessa forma, diversos métodos de divisão de potência utilizando droop são apresentados, estendendo o conceito para redes híbridas CA e CC. Uma análise da influência da impedância das linhas na divisão prevista pelo controle droop é realizada. Uma comparação entre o controle droop e impedâncias virtuais é base para uma análise em coordenadas retangulares da microrrede operando sob o controle droop, a partir da qual são derivadas estratégias para compensação das impedâncias das linhas utilizando impedâncias virtuais em eixo direto e em quadratura. Por fim, simulações buscando refletir situações reais da microrrede são realizadas, de modo a validar as estratégias propostas, que cumprem o efeito esperado de garantir uma boa precisão de seguimento de referência e divisão de carga para várias combinações de valores de impedância de linhas. Abstract : The electric sector has undergone profound changes in recent years with the tendency to reduce carbon emissions and use of renewable energy sources, decentralization in the generation of energy with distributed energy resources and association of information and communication technologies in the electricity grid, resulting in Smart grids. In this context, the microgrids appear with great interest proposing an integration of the concepts in networks that can operate independently of the distribution network in an optimized way, increasing the reliability and efficiency of the power supply. This work was carried out as part of a microgrid pilot project at the Federal University of Santa Catarina, with the objective of defining primary control techniques for load division between dispatchable sources of the microgrid, which can be either alternating current or direct current. Thus, several methods of power sharing using droop are presented, extending the concept to AC and DC networks, called herein hybrid networks. An analysis of the influence of line impedance on the division predicted by the droop control is performed. A comparison between the droop control and virtual impedances is the basis for a rectangular coordinate analysis of the microgrid operating under the droop control, from which strategies are derived to compensate the impedances of the lines using virtual impedances in direct and quadrature axis. Finally, simulations seeking to reflect real situations of the microgrid are carried out in order to validate the proposed strategies, which fulfill the expected effect of guaranteeing good reference tracking accuracy and load division for various combinations of line impedance values.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Thesis proposes a Space Vector Modulation for cascaded miltilevel converters with asymmetric cells under normal conditions and with faults in the power cells, avoiding converter saturation as much as possible. The switching state vectors and the voltage references are represented in the output line-to-line voltages coordinate system. Under this representation, the switching state vectors have only integer entries, easing the implementation of the proposed algorithm. The modulation is developed in a way such as to guarantee that the higher voltage cells switch at low frequency by the choice of only one vector per switching period, minimizing the switching losses. For the lower voltage cells (1pu), that switch with PWM, three algorithms were developed for defining the switching sequences: (i) offline, (ii) online and (iii) hybrid, where a carrier-based geometrical modulation and the SV are mixed in a simple and unified approach. The algorithm is described in a generic way, for converters with any number of levels, and then, simulation and experimental results are shown for, respectively, cascaded miltilevel converters with asymmetric cells with DC bus voltages ratio of 1:2:4pu and 1:2pu. The algorithm does not use conventional separation lines to find where the multiple references for the power cells are located inside the SV diagram. It also avoids converter saturation and, when it is unavoidable, detects its occurrence and changes the operation mode to overmodulation. This one is treated as a modification of the orignal algorithm, allowing the converter to operate with a wider range of modulation indexes and fault conditions. It is shown that two overmodulation modes can occur: in the first, there is still an area inside the SV diagram where overmodulation is avoided, and, in the second, the converter overmodulates during almost all the time. Modulation strategies are proposed for both cases, including the insertion of a bandpass filter in the second case, so as to minimize the distortions and unbalances that arise on the converter output line-to-line voltages during this operation mode. For the overmodulation, simulation and experimental results are also shown for cascaded miltilevel converters with asymmetric cells with DC bus voltages ratio of 1:2:4pu and 1:2pu. Finally, the final conclusions are drawn and future works are proposed. Esta Tese propõe uma estratégia de modulação Space Vector (SV) para conversores multiníveis com células assimétricas em cascata durante operação normal e com faltas nas células de potência, garantindo a não ocorrência de saturação do conversor sempre que esta não for desejada, especialmente durante faltas. Os vetores de comutação e as referências de tensão são representados no sistema de coordenadas das tensões de linha de saída. Desta forma, os vetores de comutação apresentam apenas coordenadas inteiras, facilitando a implementação do algoritmo proposto. A modulação é desenvolvida de forma a garantir que as células de maior tensão comutem em baixa frequência, pela escolha de apenas um vetor por período de comutação, minimizando as perdas de comutação do conversor. Para as células de menor tensão (1pu), que comutam com PWM, foram desenvolvidos três algoritmos para definição das sequências de comutação: definição (i) offline, (ii) online e (iii) híbrida, onde as modulações geométrica com portadora e SV são mescladas em uma abordagem única e simplificada. O algoritmo SV é descrito de maneira genérica, para conversores com qualquer número de níveis, e, na sequência, são apresentados resultados de simulação e experimentais para, respectivamente, conversores multiníveis com células assimétricas em cascata com razão das tensões dos barramentos CC de 1:2:4pu e 1:2pu. Este algoritmo não faz uso de retas de separação convencionais para encontrar os domínios onde as múltiplas referências para as células de potência se encontram dentro do diagrama SV. Também evita ao máximo a saturação do conversor, e, quando esta é inevitável, detecta sua ocorrência e muda o modo de operação para sobremodulação. Esta é tratada por meio de modificações no algoritmo original, permitindo a operação do conversor com um maior número de índices de modulação e condições de falta. É mostrado que existem dois casos de sobremodulação durante faltas nas células de potência: no primeiro, ainda há uma área no interior do diagrama SV onde a sobremodulação é evitada, e, no segundo, o conversor sobremodula durante praticamente todo o tempo. São propostas estratégias de modulação para ambos os casos, incluindo a inserção de um filtro passa-faixa no segundo, para minimizar as distorções e os desequilíbrios que surgem nas tensões de linha de saída do conversor, quando este se encontra neste modo de operação. Para a sobremodulação, também são apresentados resultados de simulação e experimentais para os conversores multiníveis com células assimétricas em cascata com razão das tensões dos barramentos CC de 1:2:4pu e 1:2pu. Por fim, as conclusões finais são apresentadas e são propostos trabalhos futuros.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This master thesis presents the analysis and design of an electronic drive system for fluorescent induction lamps. This lighting technology, despite being patented since the 60s, is not widely diffused in the market context. However, it is an extremely attractive alternative due to long lifetime and high luminous efficiency. The analysis circuit consists of a power factor correction associated with a power control stage, which provides the lamp ignition and current limitation. An integration methodology is applied in order to reduce the number of active semiconductor switches. The resulting topology, called here SEPIC half-bridge, presents a shared switch able to act, both in the pre-regulator stage, as well as for the power control stage. The number of elements reduction also occurs by magnetic integration. In this case, the pre-regulator inductors are distributed in a single core. For electronic system flexibility, it was inserted the dimming capability, where the low frequency modulation technique was evaluated. This technique is suitable for high power variation rates and provides a stable operation. The topology is controlled by a feedback system ensuring a satisfactory response of the system when subjected to disturbances, in addition to ensuring the correct power to the lamp. The electronic ballast designed behavior was evaluated experimentally. In this situation, there was obtained a low input current distortion associated with a high power factor. The lamp power variation range was 70% (30 W to 100 W), with an average efficiency around 82%. Neste trabalho de mestrado, apresenta-se a análise e o projeto de um sistema eletrônico de acionamento para lâmpadas fluorescentes de indução. Esta tecnologia de iluminação, apesar de ser patenteada desde a década de 60, ainda é pouco difundida em âmbito comercial. Entretanto, é uma alternativa extremamente atraente devido a longa vida útil e a elevada eficiência luminosa. O circuito analisado consiste de um estágio de pré-regulação do fator de potência associado a um estágio de controle de potência, capaz de prover as necessidades de partida e limitar a corrente aplicada à lâmpada. Para estes estágios, visando a redução do número de semicondutores ativos, é aplicada a metodologia de integração de interruptores. A topologia resultante, chamada de SEPIC half-bridge, apresenta um interruptor compartilhado, capaz de atuar tanto para o pré-regulador, quanto para o controle de potência. A redução do número de elementos se dá também pela integração de magnéticos. Nesta situação, os indutores do pré-regulador são distribuídos em um único núcleo. Buscando a flexibilidade do sistema eletrônico, neste foi inserido a capacidade de variação da intensidade luminosa, onde a técnica de modulação de baixa frequência foi avaliada. Tal técnica é apropriada para elevados índices de variação de potência, além de proporcionar uma operação estável do circuito. A topologia é controlada por um sistema de retroalimentação, capaz de garantir uma resposta satisfatória do sistema quando submetido a distúrbios, além de garantir a potência processada pela lâmpada. O comportamento do reator eletrônico projetado foi avaliado experimentalmente. Nesta situação, obteve-se uma baixa distorção da corrente de entrada e elevado fator de potência. A faixa de variação de potência foi de 70% (100 W à 30 W), com um rendimento médio de 82%.

Este trabalho apresenta a análise de uma fonte de alimentação monofásica, de estágio único, baseada no conversor SEPIC isolado com interruptores no lado CA. O conversor SEPIC com interruptores no lado CA traz algumas vantagens em relação à topologia convencional, por haver um número menor de semicondutores no caminho da corrente em um período de comutação. Logo, espera-se um acréscimo no rendimento geral. A corrente de entrada é aproximadamente senoidal sem o uso de uma malha de controle de corrente, pelo fato de este conversor operar no Modo de condução descontínuo. Como desvantagens, destaca-se uma restrição na escolha da relação de transformação, a qual implica em valores máximos de corrente no secundário elevados quando o conversor opera como abaixador de tensão. A análise teórica, a metodologia de projeto e os resultados experimentais são apresentados para um conversor de 300W. O conversor foi projetado para uma tensão de entrada de 127V, uma tensão de saída de 200V e a frequência de comutação de 50kHz. This work presents the analysis of a single-phase single-stage switched-mode power supply based on a SEPIC converter with AC-side switches. The SEPIC converter with AC-side switches has the benefit of having fewer semiconductors in conduction during a switching period when compared with the traditional topology. Thus, the overall efficiency is expected to increase. The input current is nearly sinusoidal without the use of a current loop control since the converter is operating in discontinuous conduction mode. A system disadvantage is related to the constraint in the choice of transformer turns, which leads to high current values in the secondary-side for lower output voltage specifications. The theoretical analysis, a design methodology and experimental results from a 300 W converter are presented. The converter was designed for a 127 V of input voltage, 200 V output voltage and switching frequency 50 kHz.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015 Com o crescente interesse da indústria em inversores multiníveis de alta potência para aplicações em média tensão e com as limitações tecnológicas em dispositivos semicondutores de potência de alta tensão, a técnica de modulação síncrona otimizada, desenvolvida originalmente para conversores de dois e três níveis, tornou-se novamente um tópico de interesse da Eletrônica de Potência, agora para a melhoria de formas de onda de tensão multiníveis. Esta tese propõe uma nova formulação para o problema de otimizar a modulação de conversores multiníveis com diferentes objetivos, incluindo em um único problema de otimização a decisão da direção de cada comutação bem como os ângulos em que estas devem ocorrer e, assim, definindo completamente as formas de onda de tensão otimizadas. Esta técnica é aqui empregada em aplicações selecionadas, as quais demonstram os ganhos em desempenho obtidos frente à técnicas convencionais de modulação de inversores multiníveis. Resultados extensivos de experimentação de um inversor 5-níveis acionando um motor síncrono de ímãs permanentes são apresentados e comprovam os achados teóricos. Abstract : With the growing interest of the industry in high power medium voltage multilevel inverters and the technological limitation in high voltage power semiconductors devices, the synchronous optimal pulsewidth modulation technique, originally developed for two/three level inverters, became once again a topic of righ interest to Power Electronics community, now to optimize multilevel waveforms. This work proposes a new formulation for the problem of optimizing the modulation pattern of multilevel converters, including in a single optimization problem the decision of the directions for each step transition in addition to the switching angles and, thus, completely defining the optimized multilevel waveform for a given modulation index. This is done for a single and also multiple objectives problems. This technique is applied here in selected applications, which shows the gains achieved with respect to the conventional modulation techniques for multilevel inverters. Results from extensive experimentation with a 5-levels inverter driving a permanent magnet motor are presented and confirm the theoretical findings.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. A modernização do setor de geração de eletricidade passa atualmente por uma mudança conceitual importante, a qual é a necessidade e possibilidade da incorporação de unidades de microgeração na matriz energética, tanto em âmbito nacional quanto mundial. Neste contexto, diversas destas fontes de energia utilizam uma interface entre os componentes mecânicos e a rede elétrica comercial, a qual é tipicamente implementada por geradores elétricos que, em muitos casos, operam com frequência elétrica variável para aumento da eficiência energética. Desta forma, ressalta-se a busca por soluções eficientes que sejam capazes de realizar o controle e a conversão do fluxo de potência entre os geradores elétricos, à velocidade variável, com a rede elétrica em corrente alternada (CA). Este trabalho propõe conversores estáticos autocomutados, empregados na conversão entre sistemas CA/CA, e que proporcionem a transformação simultânea de amplitude e frequência de tensão/corrente de sistemas polifásicos, também conhecidos por conversores matriciais, que visam atender a esta demanda de conversão entre dois sistemas trifásicos CA. A principal característica destas topologias é a redução no número de componentes passivos necessários para a implementação de suas funções básicas de conversão, o que é obtido através da incorporação das indutâncias do gerador no funcionamento do circuito de potência. Busca-se aqui a caracterização estática e dinâmica de tais conversores para que se possa verificar se sua operação é adequada para a função proposta. Aliado à estes conceitos, a proposição, análise e ponderação destes conversores estáticos empregará figuras de mérito predefinidas no intuito de justificar e auxiliar o projeto destes circuitos comutados em alta frequência. Abstract : The necessity and the possibility to include micro-generation units in the electricity generation power sources is one of the driving forces in the modernization of the electric power systems that is powering the electrical engineering research today. In this context, several energy sources require an interface between their mechanical parts and an electrical grid. Such interface is typically implemented through electric generators. Many types of modern generators employ variable electrical frequency to increase the conversion eciency. In electrical systems supplied from renewable energy in alternating current, which aims to energy conversion also for AC quantities. There is a clear urge for efficient solutions also in the electric conversion circuits in applications where the generator needs to be controlled and the power should flow into an alternating current (AC) electric power grid. This work proposes direct frequency converters, also known as matrix converters, which are capable to convert electricity between two three-phase AC systems. The main characteristic of this converter is the passive components count reduction in comparison to standard solutions. This is achieved with the use of the generator inductances to perform the power conversion functions of the converter. Among the main functions of theses topologies there is the ability to drain currents of the sinusoidal power supply, as well as injecting sinusoidal currents in the grid. Therefore, this thesis proposes the topologies of a three-phase matrix converter powered from energy sources with features of current source, while the output of this feature provides a voltage source. Thus, these current-fed ac-ac converters present peculiar function of step-up voltage operation mode. The static and dynamic characterizations of converters are some of the objectives of the work since this will verify its ability to perform the desired task. With these concepts, the analysis and the proposition of the power topologies will employ gures of merit in order to justify their applicability.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. As microrredes (MR) CC se apresentam como uma solução para determinadas aplicações de distribuição de energia em que se exige expansão modular, eficiência e integração de energias renováveis. A arquitetura da microrrede CC baseia-se no agrupamento de diversas fontes de energia distribuída, dispositivos de armazenamento e cargas, todos acoplados por conversores de potência. A interação dinâmica provocada por essa estrutura de múltiplos estágios de conversores traz problemas de estabilidade, cujas causas são discutidas, bem como as possíveis soluções. Neste trabalho, propõe-se uma modelagem não linear da MR em que abstrai-se a diversidade de fontes/cargas e topologias de conversores, visando obter uma modelagem compacta do sistema. Tal modelagem permite a análise de estabilidade de grandes sinais do sistema de forma analítica, além de prever possíveis comportamentos dinâmicos de caráter oscilatório e de instabilidade que não são possíveis por meio da análise de modelos lineares. Adicionalmente, propõem-se dois controladores por modos deslizantes, integral e washout, para os conversores responsáveis pelo controle de tensão com o objetivo de adicionar amortecimento ativo durante perturbações. Dessa forma, estabelecem-se as regiões seguras de operação por meio da avaliação de diagramas de bifurcação e as diretrizes para o projeto de MR CC robustas. Abstract : DC micro-grids (MG) are presented as a solution for power distribution applications which requires modular expansion, efficiency and integration of renewable energy. DC MG architecture is based on the grouping of distributed energy resources, storage devices and loads, all coupled by power converters. The dynamic interaction caused by such multi-stage converter structure brings stability problems whose causes and solutions are discussed. It is proposed a nonlinear modeling of the MG which abstracts the diversity of sources/loads and power converters topologies in order to obtain a compact modeling of the system. This modeling allows the large signal stability analysis and it is capable to predict possible oscillatory behaviors and instabilities that are not possible through the analysis of linear models. It is further proposed sliding mode controllers, integral and washout, to the power converters responsible for voltage control in order to add active damping during disturbances. Thus, it is set up safe operating regions through the evaluation of bifurcation diagrams and guidelines for designing robust DC MGs.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015. Neste trabalho são estudadas técnicas aplicadas ao controle de um sistema fotovoltaico obtido a partir da integração de conversores CC-CC elevadores de tensão conectados a um barramento CC comum e projetados para processar até 2 kW. A estratégia adotada permite duas possibilidades: na primeira, cada conversor é individualmente controlado para funcionar como rastreador do ponto de máxima potência (MPPT) e, na segunda, o controle é realizado de modo que os conversores mantenham, de forma compartilhada, a tensão do barramento CC regulada. Para alcançar tais objetivos, inicialmente apresenta-se uma proposta de modelagem matemática experimentalmente validada, aplicada a módulos e a arranjos fotovoltaicos. Os modelos obtidos possibilitam reproduzir as condições típicas de geração do sistema fotovoltaico, fortemente dependentes das condições ambientais, em plataformas de simulação. Além disso, métodos de rastreamento do ponto de máxima potência recorrentes na literatura são revisitados, com destaque à implementação prática daqueles cuja operação está baseada na medição ou na estimação de temperatura de superfície do gerador fotovoltaico: MPPT-temp e MPPT-temp Voc. É também realizada uma análise de estabilidade do sistema fotovoltaico proposto, utilizando-se como ferramenta os critérios de Middlebrook, de margem de ganho e de ganho de fase, com o intuito de averiguar como o paralelismo de conversores pode degradar a estabilidade do barramento CC. Finalmente, resultados provenientes de simulação e de experimentação são apresentados e discutidos, considerando-se os diversos cenários de operação. Abstract : This work evaluates some techniques applied to control a photovoltaic system obtained from the integration of DC-DC boost converters, which are connected to a common DC link and designed to process up to 2 kW. The adopted strategy enables two possibilities: at the first one, each converter is singly controlled for working as a maximum power point tracker (MPPT); and at the second, the control is accomplished in order to allow the common DC link voltage regulation. In order to reach the final proposal, it is presented a mathematical model for photovoltaic modules and arrays which was experimentally corroborated. The obtained models permit to simulation photovoltaic modules and arrays, taking into account the environmental effects at the output voltage, current and power. Furthermore, the most frequently used MPPT algorithms are discussed, mainly that ones based on the temperature or on its estimation at the surface of the photovoltaic module: MPPT-temp and MPPT-temp Voc. In addition, a stability analysis for the photovoltaic system was carried out through the criteria of Middlebrook, gain margin and phase margin, in order to find out how the link DC is degraded due to the integration of parallel converters. Finally, the simulation and experimental results are presented and discussed in accordance with the multiplicity of operational settings.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2015.

A gradativa substituição da atual frota de veículos de motor de combustão interna por veículos elétricos (VEs) pode ser vista como um importante fator para a melhoria das condições ambientais nos centros urbanos, uma vez que possibilita a redução das emissões de poluentes atmosféricos nocivos à saúde humana. Os conversores estáticos existentes no sistema de propulsão de veículos puramente elétricos e híbridos "plug-in" podem ser utilizados para funções adicionais, diferentes da tração elétrica. Com poucas adaptações nos circuitos eletrônicos do VE é possível integrar funções como recarga de baterias, geração distribuída de energia elétrica e compensação de reativos. Este tipo de aplicação é particularmente interessante no contexto de redes inteligentes de energia elétrica (smart grids). Esta integração de funcionalidades ao VE, além de permitir a redução de custos e economia de recursos naturais, poderá resultar em retorno financeiro aos proprietários destes veículos pela prestação de serviços auxiliares ao sistema elétrico. Neste trabalho é proposta a utilização de veículos elétricos na compensação de harmônicos de corrente e de potência reativa em instalações elétricas residenciais e comerciais, utilizando o próprio sistema de propulsão do VE para operar como filtro ativo de potência, o que pode ser realizado de forma simultânea à recarga do banco de baterias do VE ou durante seu uso como unidade de geração distribuída de ener-gia elétrica (operação no modo V2G, vehicle-to-grid). Sendo o padrão de conexão de VEs à rede de energia elétrica atualmente adotado pela maior parte dos fabricantes de automóveis elétricos baseado em alimentação monofásica (com possibilidade de alimen-tação bifásica), é explorada, neste trabalho, a utilização de um VE na compensação de cargas monofásicas e bifásicas, em condições típicas de instalações elétricas residenciais e comerciais, de forma compatível a tal padrão. A inclusão desta funcionalidade aos VEs pode contribuir para a redução do impacto da eletrificação veicular no sistema elétrico, pois com a diminuição do fluxo de potência reativa e harmônica na rede elé-trica, torna-se maior a sua capacidade disponível para transporte de potência ativa, facilitando o suprimento de energia a novas cargas (que podem ser os próprios VEs). The gradual replacement of the current internal combustion engine vehicles by elec-tric vehicles (EVs) comes up as being an important factor to the improvement of urban centers environmental conditions, since it enables reduction on the emissions of atmo-spheric pollutants harmful to human health. Additional tasks, apart from traction, can be performed by battery and plug-in hybrid electric vehicle powertrain on-board power electronic converters. It is possible to integrate functions such as battery charge, electric distributed power generation and reactive power compensation with few modifications on the EV electronics circuitry. This kind of application is especially interesting under the context of smart grids. The integration of these additional functions to an electric vehicle is a very desirable feature, since it can result on cost reduction (in comparison to the separated implementation of the integrated functions) and revenue to the owner of the vehicle by providing ancillary services to the electric power system. This work proposes the application of electric vehicles on the compensation of cur-rent harmonic components and reactive power in residential and commercial electricity networks by means of the integration of a shunt active power filter (APF) into their powertrain electronics circuitry, which can simultaneously operate with the EV bat-tery pack charging or during its use as an electric distributed power generator unit (vehicle-to-grid, V2G, operation mode). Since the EV grid connection standard cur-rently adopted by electric automobiles manufacturers is based on a single-phase power supply system (with a possible two-phase power supply connection), this work focuses on the application of an electric vehicle in the compensation of single-phase and two-phase loads under residential and commercial electricity networks typical conditions, in order to meet the compliance to the requirements of such standard. The inclusion of this functionality to EVs can contribute on the reduction of vehicular electrification impact on the electric power system, since the decrease of reactive and harmonic power flow into the grid results in higher available capacity of active power flow in the power conductors, which allows to supply electricity to new electric loads (that can be the EVs themselves).

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2014. Neste trabalho apresentam-se metodologias de projeto de controladores de corrente para inversores conectados à rede, incluindo um controlador proporcional+ressonante, um controlador preditivo do tipo deadbeat e uma estratégia híbrida utilizando ambos controladores. Os controladores são aplicados em um sistema inversor trifásico, dois níveis, conectado à rede elétrica por meio de um filtro indutivo-capacitivo-indutivo (LCL). As seguintes análises são realizadas: modelagem do sistema completo, efeitos de variações paramétricas, avaliação de problemas relacionado à perturbações e o comportamento do sistema para grandes variações da impedância presente na rede elétrica. Os controladores projetados são testados em um protótipo de $ 10~$kW, no qual avaliam-se seus comportamentos dinâmicos e a distorção harmônica total resultante. Além disso, verificam-se suas estabilidades quando conectados à uma rede elétrica com comportamento altamente indutivo. Abstract : This work presents design procedures for current controllers in grid-tied inverter applications including a proportional+resonant controller, a predictive deadbeat controller and a hybrid strategy using both concepts. The controllers are applied in a two-level three phase voltage source inverter system connected to the grid via an inductive-capacitive-inductive (LCL) filter. The following analyzes are performed: overall system modeling, effects of parametric variations, evaluation of disturbance related issues and the system behavior for large grid impedance variations. The design controllers are implemented in a 10 kW prototype. The dynamical responses are tested, the total harmonic distortion is evaluated and the performance with a highly inductive grid impedance is proven.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2014. Este trabalho apresenta um estudo sobre os conversores CA-CC modulares multiníveis bidirecionais já existentes e propõe uma topologia de conversor unidirecional. Inicialmente, é realizado um estudo do conversor modular multiníveis bidirecional monofásico contemplando o princípio de funcionamento, a origem das correntes de circulação e os efeitos destas, esforços de corrente nos principais dispositivos e estratégias de controle. Um esquema de balanceamento das tensões dos capacitores de um braço é proposto e comparado com outra estratégia encontrada na literatura. A análise realizada é estendida para o conversor bidirecional trifásico e estratégias adequadas de controle das correntes e tensões são desenvolvidas. Por último, uma nova topologia de conversor modular multiníveis com fluxo unidirecional de potência é proposta. O conversor é analisado em regime estático e dinâmico, e estratégias de controle e equilíbrio das correntes e tensões são desenvolvidas. Os resultados obtidos nas análises são comprovados por meio de simulações e alguns resultados experimentais obtidos de um protótipo em escala com 24 submódulos. Abstract : This work presents a study on modular multilevel converters already proposed in the literature and proposes a new unidirectional topology. Initially, an analysis of the single-phase modular multilevel converter comprising the working principles, the origin of circulating currents and its effects, current stresses and control schemes is presented. A new arm capacitor voltage balancing method is proposed and compared against a common strategy found in literature. The realized analysis is extended to the three-phase bidirectional MMC and suitable current and voltage control strategies are developed. Also, a new modular multilevel converter topology featuring unidirectional power flow is proposed. Steady state and dynamic analysis are realized, and control strategies for current and voltage control and balancing are presented for the new converter. The analysis obtained in this work are confirmed by means of numerical simulations and preliminary experimental results from a scaled down prototype with 24 submodules.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Ph.D. Dissertation focuses on the proposal of a novel converter topology applied to the connection of an energy storage system, composed of a supercapacitor bank and a battery bank, to the dc bus of a residential microgrid. The proposed full-bridge-forward integrated dc-dc converter presents high voltage gain between the input and output, a fundamental requirement for the desired application, bidirectional power flow, galvanic isolation, among other features. The integration process, operation stages (including converter waveforms and equations), design methodology, dc modeling, among others, are presented. Three different clamping circuits structures are studied and applied to the proposed converter. Moreover, a comparison including several parameters with the dual active bridge converter, which is one of the most used topologies for similar applications is performed, highlighting the lesser number of active switches. Experimental results of the proposed converter in different operation modes are presented, validating the theoretical analysis. Experimental results of the dual active bridge converter are also presented and its performance is compared to the proposed converter, where it can be seen that the efficiency of the proposed converter is higher. The topology application is directed to microgrid systems, which attract high attention nowadays due to the possibility of renewable electric energy generation through distributed energy resources and with high reliability. Esta Tese de Doutorado tem como foco a proposta de uma nova topologia de conversor aplicado para conexão de um sistema de armazenamento de energia, composto de um banco de supercapacitores e um banco de baterias, ao barramento CC de uma microrrede residencial. O conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto apresenta alto ganho de tensão entre a entrada e saída, requisito fundamental para a aplicação desejada, fluxo de potência bidirecional, isolação galvânica, entre outras características. O processo de integração, etapas de operação (incluindo formas de onda e equações do conversor), metodologia de projeto, modelagem CC, entre outros, são apresentados. Três diferentes estruturas de circuitos grampeadores são estudadas e aplicadas ao conversor proposto. Além disso, uma comparação de diversos parâmetros com o conversor dual active bridge, que é uma das topologias mais utilizadas para aplicações semelhantes é realizada, destacando o menor número de interruptores. Resultados experimentais do conversor proposto em diferentes modos de operação são apresentados, validando as análises teóricas. Resultados experimentais do conversor dual active bridge também são apresentados e o seu desempenho é comparado ao do conversor proposto, onde se observa que o rendimento do conversor proposto é superior. A aplicação da topologia é voltada para sistemas de microrrede, os quais atraem grande atenção atualmente devido à possibilidade de geração de energia elétrica de maneira renovável através de fontes distribuídas e com elevada confiabilidade.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. Neste trabalho apresenta-se um estudo sobre inversores trifásicos multiníveis em corrente, para o acionamento de motores elétricos. Visando à aplicação em sistemas elétricos de propulsão, alimentados com baterias de baixa tensão, é avaliada uma estrutura de inversor cinco níveis em corrente (5L-CSI). São discutidos métodos de modulação PWM para esta estrutura, bem como a proposição de uma técnica de modulação no espaço vetorial que otimiza aspectos como: redução de níveis de ondulação de tensão nos componentes passivos; equilíbrio na distribuição de perdas nos dispositivos semicondutores; balanço das condições de operação nos componentes magnéticos e redução do volume destes. A implementação do algoritmo de modulação e a obtenção de resultados experimentais são realizadas em um protótipo do 5L-CSI de 2,2 kW. É analisada a modelagem de um conversor eletrônico, composto por um estágio de entrada CC-CC e pelo 5L-CSI, com o intuito de efetuar o controle de um motor síncrono a imãs permanentes. Para verificar a viabilidade do uso do 5L-CSI, em um sistema de propulsão para pequenas embarcações, é apresentado um procedimento para o cálculo das perdas elétricas, visando estimar o rendimento de um sistema de acionamento de 12 kW. Abstract : This work presents a study on three-phase multilevel current source inverters, to drive electric motors. A five-level current source inverter structure (5L-CSI) is evaluated, aiming to apply it on electric propulsion systems with low voltage batteries. PWM modulation strategies are discussed for this structure, and also, a space vector modulation (SVM) technique is proposed. The proposed SVM optimizes: voltage ripple level on passive components; semiconductor losses distribution and volume reduction of magnetic components. The modulation algorithm implementation is carried out in a 2.2 kW 5L-CSI prototype, providing experimental results. The electronic converter, composed of a dc-dc input stage and a 5L-CSI is mathematically modeled, in order to control a permanent magnet synchronous machine. To verify the 5L-CSI feasibility on small boat propulsion systems, a procedure to calculate the electrical losses is presented, providing the efficiency estimation of a 12 kW drive system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. Este trabalho apresenta o estudo de uma nova topologia de um conversor trifásico dois níveis bidirecional com integração de interruptores conectados em delta adequado para aplicações em acionamentos de máquinas elétricas e para a conexão de sistemas à rede elétrica. A inserção da malha de interruptores em delta a um inversor de tensão convencional adiciona estados redundantes na operação do conversor que, se escolhidos de maneira adequada em uma estratégia de modulação, podem otimizar o desempenho do conversor, de acordo com critérios do projetista. Dependendo da estratégia de modulação utilizada, o conversor pode ser otimizado para a redução das perdas por condução ou para a redução da geração das tensões de modo comum. Uma metodologia para a geração de técnicas de modulação PWM contínuas, descontínuas e híbridas aplicáveis ao conversor proposto e a outros convencionais é apresentada e o desempenho de algumas estratégias é analisado. Estratégias também foram propostas para concentrar as perdasde comutação em componentes específicos, diminuindo a taxa de decrescimentoda eficiência do conversor com o aumento da frequência decomutação. Um protótipo de 10 kW foi construído para validar a análise teórica e para realizar a interface de sistemas geradores com a rede elétrica. São fornecidos detalhes da implementação prática bem como a metodologia adotada para o projeto do filtro de EMI e dos controladores. Resultados experimentais são mostrados validando algumas das análises apresentadas. Abstract : This work analyzes a novel three-phase two-level delta-switch activevoltage source inverter for electrical drives and grid connected applications.The addition of delta connected switches to the phases of avoltage source inverter make possible new redundant operational states.The converter states, when combined in a modulation strategy,can optimize the converter performance as defined by the designer.Depending on modulation, the converter can be optimized for lossesreduction or for common mode voltage reduction. A methodology forcontinuous, discontinuous and hybrid PWM modulation strategies generationis presented, suitable for the proposed converter and otherconventional ones, and the performance of some of them is analyzed.Strategies are also proposed in order concentrate the switching lossesin some components, reducing the efficiency decreasing rate when theswitching frequency is increased. A 10 kW prototype was designed andimplemented in order to validate the performed analyses and to connectgeneration systems to the grid. Some practical details and the methodologyfor EMI filters and controllers design are given. Experimentalresults are presented validating some of the performed analysis.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013. Neste trabalho estão apresentados os estudos efetuados do conversor trifásico bidirecional de três níveis (NPCm), aplicado a operação como Carga Eletrônica Ativa de corrente alternada. Os esforços de corrente e de tensão são analisados, modelados e comparados com o conversor NPC, bem como as perdas dos seus dispositivos semicondutores, para variações da defasagem da corrente e do índice de modulação. Semicondutores estado da arte foram ensaiados em laboratório e utilizados nos dois conversores, tais como os modernos diodos e transistores de Carboneto de Silício (SiC), visando a análise comparativa das perdas e a obtenção de conversores de alta eficiência. São obtidos modelos para o sistema quando composto por filtros de primeira ou de terceira ordem, apresentando os problemas inerentes de cada topologia. No caso do filtro de primeira ordem, composto por um indutor, são apresentados vários resultados de simulação com o controle da corrente drenada, para diferentes frequências harmônicas, mostrando a possibilidade de ocorrência de saturação do controlador e como contorná-la. Para o caso de utilização de um filtro de terceira ordem (LCL), é proposto um sistema de controle formado por um controlador clássico, a Realimentação dos Estados (RE) e um Observador de Estados (OE). O observador é usado para obter o valor da variável a ser controlada, sem o uso de sensores, e a RE é usada para se obter uma amortização ativa das oscilações na frequência de ressonância do filtro. Neste caso, primeiro são apresentados resultados de simulação com o sistema de controle analógico, depois são analisados os problemas causados pela discretização e implementação com controladores digitais, mostrando qual a ação foi tomada para contornar tais problemas. Por fim, vários resultados experimentais com o controlador digital são apresentados, mostrando que o protótipo construído foi capaz de emular correntes com conteúdo harmônico amplo e genérico, com boa rejeição às perturbações causadas pelas alterações da tensão ou da indutância do equipamento sob teste (EST). Abstract : This work presents a study of a modified Neutral Point Clamped (here called NPCm), a bi-directional three-phase three-levels inverter, operating as an AC Active Electronic Load. First, the current and voltage stresses are analyzed, modelled and compared with the standard Neutral Point Clamped (NPC) inverter. State-of-the-art semiconductors were selected and tested in different controlled temperature of operation, in order to obtain their energy losses characteristics, like the modern silicon carbide (SiC) diodes and transistors. Later, this devices were used as main power semiconductors for both inverter topologies and their losses were compared as function of load current and modulation index variations, in order to achieve best performance on efficiency and same time establishing know how on its usage and power losses qualification. Models are obtained for the system when with first or third order filters were used, showing inherent characteristics of each topology. In the case of the first order filter with an inductor, several simulation results are presented with current control for various harmonic frequencies, showing the possible occurrence of controller saturation and how to avoid it. In the case of utilization of a third order filter (LCL type), this work proposes a digitally implemented control strategy comprising state feedback, robust observer, phase-locked loop and a linear current controller to cope with AC AEL applications. The observer is used to obtain the value of variable to be controlled, without the utilization of sensors and the state feedback is used to obtain an active damping of oscillations at the resonance frequency. First the simulations results are presented with an analog control, later is the problems caused by the digital controllers discretization and implementation are analysed, showing how the build prototype was able to control currents with broad and generic harmonic content showing good rejection of the perturbations caused by changes on voltage or inductance of the equipment under test (EUT).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this thesis an study of AC Power Source (ACPS) topologies that guarantee the synthesis of high quality voltage waveforms (in comparison to the reference signal) without penalizing the system efficiency is carried out. It must be highlighted that these features can be achieved by employing hybrid topologies, which are composed of a switched-mode power amplifier and a linear power amplifier (LPA). The former amplifier (called main amplifier) processes almost the entire load power, while the second one (called correction amplifier) is responsible for the compensation for any distortion at the output voltage waveform, thus, processing a small amount of the load power. In this way, it is possible to combine both the high efficiency of switched-mode power amplifiers with high quality voltage waveforms characteristic of linear power amplifiers. This work is mainly focused on hybrid topologies in series configuration (series connection between main and correction amplifiers). This allows to employ a low voltage/low power LPA. It must be noticed that this configuration is especially suitable for ACPS applications, when, for example, the mains voltage is intended to be emulated (including high order harmonics, controlled disturbances, etc.), since the LPA experiences low voltage levels in comparison to those synthesized by the ACPS. Throughout the thesis are proposed and theoretically/ experimentally analyzed two novel ACPS topologies, which employ multilevel inverters as main amplifier. The analysis take into account the operation, modulation strategy and design methodology of the power and control circuits (of both main and correction amplifiers). Experimental results are presented (Total Harmonic Distortion and converter efficiency) in order to validate the proposed approach. Nesta Tese é realizado um estudo acerca das principais topologias de fontes CA de potência (AC Power Source ACPS), que garantem a síntese de formas de onda de tensão de alta fidelidade (com respeito ao sinal de referência) sem, no entanto, comprometer o rendimento do sistema. Salienta-se que essas características podem ser obtidas por topologias híbridas, compostas pela associação de um amplificador chaveado com um amplificador linear. Enquanto o primeiro (denominado de amplificador principal) processa praticamente a totalidade da energia fornecida à carga, o segundo (denominado de amplificador de correção) é responsável apenas por correções na forma de onda de saída, processando, assim, uma pequena parcela de energia. Então, torna-se possível aliar o alto rendimento característico dos conversores chaveados à alta qualidade da forma de onda associada aos amplificadores lineares. O trabalho é direcionado, principalmente, a topologias híbridas em configuração série (conexão série entre o amplificador principal e o amplificador de correção), de modo que amplificadores de correção de baixa tensão/baixa potência possam ser empregados. Destaca-se que essa configuração é especialmente adequada a aplicações com ACPSs, quando, por exemplo, deseja-se emular a rede elétrica de alimentação (inserindo harmônicos de tensão, provocando distúrbios controlados, etc.), uma vez que o amplificador de correção é submetido a níveis de tensão reduzidos, se comparados aos níveis sintetizados pela ACPS. No decorrer do trabalho, são propostas e analisadas teórico-experimentalmente duas topologias inéditas de ACPS, ambas empregando inversores multiníveis como amplificador principal. São apresentadas análises relativas à operação, modulação, metodologia de projeto dos estágios de potência e controle tanto do amplificador principal quanto do de correção , bem como são apresentados resultados experimentais em termos da distorção harmônica total (Total Harmonic Distortion THD) e rendimento global do sistema.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2011 Redes ativas de distribuição aparecem como uma solução para os desafios de distribuição de energia. Neste contexto, sistemas em corrente contínua apresentam potencial para reduzir as perdas e os custos de equipamentos eletrônicos. A eletrônica de potência é o principal facilitador para esta iniciativa e pesquisas estão em andamento, a fim de encontrar soluções e avaliar os requisitos e benefícios para os conversores de potência aplicados à sistemas de corrente contínua. Há evidências de que redes em CC bipolares são vantajosas, devido à maior confiabilidade e aumento da capacidade de transmissão de potência. Nestas redes, as correntes são tipicamente desbalanceadas e, portanto, as perdas dos alimentadores e retificador aumentam. Outro desafio em redes ativas de distribuição em CC é a estabilidade global do sistema, devido à presença de fontes de geração de energia distribuídas e cargas eletrônicas. Este trabalho propõe um conversor de potência e seus princípios de controle, que é capaz de balancear as correntes em uma rede CC bipolar e melhorar sua estabilidade. Seus princípios de funcionamento, a modelagem orientada ao controle e implementação em laboratório são apresentados e verificados experimentalmente.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2012 Este trabalho apresenta o estudo de retificadores unidirecionais com alto fator de potência, monofásicos e trifásicos, multiníveis com célula de comutação de múltiplos estados. A utilização de um transformador de multi-interfase conectado a diversas pernas de semicondutores permite a divisão dos esforços de corrente, multiplicação da frequência e geração de múltiplos níveis de tensão na entrada e corrente de saída do conversor. As perdas nos semicondutores e os elementos passivos podem ser então reduzidos, permitindo a obtenção de alto rendimento, elevada densidade de potência, sendo também indicados para aplicações de alta potência. A complexidade do sistema de modulação, número de componentes e confecção dos elementos magnéticos são as principais desvantagens da topologia proposta. O estudo é conduzido de forma generalizada, com o objetivo de avaliar o impacto do número de pernas de semicondutores em diversos aspectos operacionais do conversor. Questões de modelagem, controle, modulação e implementação prática são abordadas, onde uma arquitetura modular baseada em blocos de construção é proposta como alternativa para a complexidade própria da estrutura. O trabalho é suportado por diversas simulações numéricas e por três protótipos construídos em laboratório, a saber: um conversor monofásico de 1,5 kW com duas pernas de semicondutores; um conversor monofásico de 2,5 kW com quatro pernas de semicondutores; e um conversor trifásico de 7,5 kW com quatro pernas de semicondutores. Abstract : This work analyzes single and three-phase unidirectional high power factor multistate switching cells-based multilevel rectifiers (MLMSR). The use of a multi-interphase transformer, with its windings connected to several semiconductor legs produces relatively well balanced current distribuition among the semiconductors, frequency multiplication and generation of multiple levels at the input voltage and output current of the converter. The semiconductor and passive component losses are reduced, and thus high efficiency and high power density are obtained. From the current sharing among the devices, such converters are appropriate for high power applications. A generalized analysis is presented, in order to evaluate the impact of the number of semicondutor legs in various operational aspects of the converter. The main issues related to static and dynamic modeling, control, modulation and practical implementation are considered for both, single- and three-phase, structures. Special attention is given to carrier-based modulation strategies to improve the performance of the three-phase rectifiers. Finally, a modular approach according to the power electronics building blocks concept is proposed as a viable solution to overcome the practical implemetation complextity of such rectifiers. The work is supported by several numerical simulations and by the analysis of three lab prototypes, namely: a 1.5 kW two legs single-phase MLMSR; a 2.5 kW four legs single-phase MLMSR; and a 7.5 kW four legs three-phase MLMSR.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Este trabalho apresenta uma nova topologia de retificador monofásico com fator de potência e rendimento elevados, com o objetivo de adaptar-se aos requisitos de sistemas de conversão modernos. O conversor se caracteriza por integrar as etapas de retificação e conversão CC-CC em um único estágio e por operar com três níveis de tensão para o controle da corrente de entrada. A estrutura possibilita a redução das perdas em condução e de comutação, bem como a redução do volume de dispositivos magnéticos. Uma operação eficiente do retificador é obtida com uma técnica de modulação adequada, também foco deste trabalho. Duas técnicas de controle para o retificador foram analisadas e implementadas em um controlador digital de sinais de baixo custo. Uma análise de estabilidade é apresentada para a técnica de autocontrole de corrente considerando-se os efeitos dos atrasos de transporte da implementação digital. Um novo controlador adaptativo e metodologia de projeto são propostos para permitir a operação do conversor em ampla faixa de variação de carga utilizando esta técnica. A verificação experimental é realizada através de um protótipo de 3 kW desenvolvido em laboratório, para o qual se utilizou uma metodologia de projeto que minimiza o volume de material magnético utilizado no indutor boost. This work presents a novel single-phase rectifier topology with high power factor and high efficiency, aiming to fulfil modern conversion systems requirements. This converter is characterized by integrating the rectifying and DC-DC conversion stages into a single stage and operates with three voltage levels for controlling the input current. The topology enables low conduction and commutation losses and reduced volume of magnetic devices. Efficient rectifier operation is achieved with a suitable modulation technique, which is also within the focus of this work. Two control techniques for the rectifier have been analysed and implemented in a low-cost digital signal controller. A stability analysis is presented for the current self-control technique considering the effects of the transport delays found in the digital implementation. A new adaptive compensator and design method are proposed to allow the converter to operate with wide load variation range using this technique. Experimental verification is performed with a 3 kW labprototype employing a boost inductor optimized design that minimizes magnetic material volume.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Este trabalho apresenta o estudo e a implementação de um conversor eletrônico para a realização do acionamento de um dispositivo de iluminação à OLED (LED orgânico). É proposto um conversor Buck operando com controle da corrente de saída para acionar este dispositivo. A frequência de comutação utilizada neste conversor é na ordem de centenas de kilohertz até um megahertz, possibilitando a redução do tamanho dos elementos passivos. Devido a característica elétrica do dispositivo OLED a potência envolvida é inferior a cinco watts. Como consequência, as perdas nos componentes e nos circuitos auxiliares possuem uma influência significativa na composição do rendimento. Por isto, também são estudadas e testadas algumas técnicas que podem possibilitar um aumento no rendimento da estrutura, formada pelo conversor eletrônico mais o dispositivo de iluminação, através da substituição ou da inclusão de alguns componentes no conversor Buck ou da utilização de outro conversor eletrônico visando à redução nas perdas. This paper presents the study and implementation of an electronic converter for driving an OLED lighting device. A Buck converter operating with control of the output current is proposed to drive this device. The switching frequency used in this converter is in the order of hundreds of kHz to a MHz, allowing a reduction in the size of the passive elements. Due to the electrical characteristic of OLED device, the power involved is less than five watts. The components and auxiliary circuits losses have a significant influence on the composition of efficiency. Therefore, some techniques that can enable an increase in the efficiency of the structure are studied and tested, formed by the electronic converter and the lighting device. The techniques replace or add a few components in the Buck converter or using another electronic converter in order to reduce losses.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica No século XXI, mudanças são esperadas nas formas em que a produção de energia ocorre. Com o desenvolvimento de novas tecnologias, o custo da eletricidade a partir da geração eólica caiu mais de 80% durante os últimos anos. A geração de energia através de sistemas de conversão de energia eólica representará uma parcela considerável da energia elétrica gerada. Nesse contexto, turbinas eólicas equipadas com geradores síncronos a ímãs permanentes apresentam vantagens importantes sobre outros tipos de geradores. No entanto, esses geradores precisam ser conectados a uma rede de distribuição através de conversores estáticos de capacidade nominal. Estes conversores permitem que o sistema de conversão de energia eólica seja utilizado em seu ponto ideal de operação a todo instante. Além disto, os conversores estáticos modernos garantem a melhoria da qualidade da energia gerada e que esta seja transmitida à rede com alto rendimento de conversão e de maneira confiável e flexível. Este trabalho propõe uma nova estratégia de controle de corrente de alto desempenho e elevado fator de potência. A estratégia proposta baseia-se na técnica de autocontrole de corrente para retificadores PWM trifásicos, incrementando-a no que diz respeito à compensação de reativos no gerador. Utiliza-se um estágio retificador PWM trifásico robusto e com baixas perdas de condução. Este retificador é analisado e um esquema apropriado de modulação vetorial é proposto. O sistema de conversão de energia eólica é estudado por simulações numéricas e a técnica de controle de corrente proposta é verificada também de forma experimental em um protótipo de laboratório de 6,5 kVA.