Search

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Ph. D. Thesis presents a in deep study of the mechanism of resonant transition soft-switching techniques. By means of the principles that rules the PWM resonant transition converters, a novel tool for analysis and synthesis have been developed. This novel tool also permit to be verified some of the main factors that made possible to he ZVT technique to achieve its technology level. By means of this tool and with the definition of the basic requirements of the resonant transition converters a new concept concerning the ZCZVT technique have been generated, the ZCZVT converters with discontinuous auxiliary voltage source . The development of this new concept gives rise to a new family of ZCZVT converters with magnetically coupled auxiliary circuit. It also allowed a better perspective of the ZCZVT converters characteristics, advantages, drawbacks and limitations, which contributed significantly with the grown of the technology. Two of the six topologies with bi-directional auxiliary circuits proposed in the thesis have been mathematically analised. A design methodology based on constrains and dynamic characteristics of the IGBT and diode semiconductors under ZCS and ZVS conditions have been presented. Finally, experimental results proved the efficiency gain of the novel ZCZVT inverters with magnetically coupled auxiliary circuit. The ZCZVT inverter with magnetically coupled auxiliary circuit prototype have been compared with its Undeland snubber counterpart, presenting an efficiency of about 4% superior. It corroborates to the thesis proposal of developing novel topologies with better performance and simplicity. O presente trabalho apresenta um estudo aprofundado do mecanismo de comutação presente nas técnicas de comutação suave com transição ressonante. Por meio da definição dos princípios que governam as comutações dos conversores PWM com transição ressonante, desenvolveu-se uma nova ferramenta para análise e síntese de novos circuitos com características aperfeiçoadas. Também através desta ferramenta de análise pode-se verificar alguns dos principais fatores que possibilitaram o amadurecimento da técnica de comutação ZVT. Com esta ferramenta e com a definição dos requisitos básicos para a operação dos conversores com transição ressonante foi gerado o conceito de conversores ZCZVT com fonte auxiliar descontínua. O desenvolvimento deste conceito deu origem a uma nova família de conversores ZCZVT com acoplamento magnético. O desenvolvimento de uma nova família de conversores ZCZVT permitiu uma melhor percepção das características destes circuitos e o amadurecimento da técnica de comutação suave ZCZVT. Duas das seis topologias de circuitos auxiliares bidirecionais propostas na tese para os novos inversores ZCZVT monofásicos com acoplamento foram analisadas matematicamente. Uma metodologia de projeto para estes inversores foi apresentada. Esta metodologia é baseada em restrições obtidas das características dinâmicas dos IGBTs e dos diodos que operam sob comutação em zero de corrente (ZCS) e zero de tensão (ZVS). Por fim, foram apresentados resultados experimentais que comprovam o ganho de eficiência do inversores ZCZVT com acoplamento magnético e circuitos auxiliares em derivação proposto. O protótipo do inversor ZCZVT foi comparado experimentalmente com um inversor utilizando snubber de Undeland, apresentando uma eficiência em média 4% superior. O que corroborou com a proposta inicial de desenvolver topologias ZCZVT com desempenho melhorado e maior simplicidade.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The population grouth and technological development led to increasing energy demand in the world, which leads many countries to look for fossil fuels to meet the increasing energy damand in the world. The use of fossil fuels, besides being limited, have being provoke ecosystem changes, endangering wildlife and animal in the earth planet. In this way, the looking for renewable sources has become an unovoidable challenge nowadays. The photovoltaic energy draw a big interest due to the numerous advantages it performs. However, photovoltaic panels in many applications can not meet the demand required for a system. High gain DC-DC converters are used to increase the panel voltage value to a bus value connected to the inverter required from the system. There are several techniques used to increase the voltage gain of DC-DC converters. Therefore, many of these techniques require the use of signicative numbers of components, which contributs to the cost, volume and complexity of the converter. This work approach about the coupled inductor technique applied to the boost converter. In coupled inductors, the energy stored in the leakage inductance when non-recycled, provoke a spike voltage on the switch which can permanently destroy it. The active clamp is used to clamp the voltage around the switch in a safe range of voltage operation and to regenerate this energy to the output. Furthermore, to prevant the dependence voltage gain on turn ratio, the differential arragement technique is applied, which make possible to achieve high voltage gains with turn ratio close to the unit. The complete study of the proposed converter is shown and the prototype experimental is presented. The result shows high output voltage of 240V, input voltage of 37.7V, with small duty cycle operating in a safe range of 0.448 and the turn ratio close to the unit. Both switches perform ZVS operation.The maximum efficiency achieved by the converter was 86%. O aumento populacional e o desenvolvimento tecnológico tem ocasionado a crescente demanda energética no mundo, o que leva muitos países a fazerem o uso de combustíveis fósseis para atender a grande demanda energética cada vez mais crescente no mundo. O uso de combustíveis fósseis, para além de limitada, tem causado grandes alterações no ecossistema, pondo em risco a vida selvagem e animal no planeta. Deste modo, a busca por exploração de fontes renováveis, tornou-se um desafio inevitável nos dias de hoje. A energia fotovoltaica desperta grande interesse pelas inúmeras vantagens que apresenta. Todavia, os painéis fotovoltaicos em muitas aplicações, não conseguem atender a demanda requerida para um sistema. Os conversores CC-CC de alto ganho são utilizados para aumentar o valor de tensão do painel, para um valor de barramento conectado ao inversor requerido do sistema. Existem diversas técnicas usadas para elevar o ganho de tensão dos conversores CC-CC. Portanto, muitas dessas técnicas utilizadas requerem o uso de inúmeros componentes, o que contribui com o custo, volume e a complexidade do conversor. Nesta dissertação explora-se a técnica do indutor acoplado aplicado ao conversor boost. Nos indutores acoplados, como a energia armazenada na indutância de dispersão, quando não reciclada pode danificar o interruptor, e sendo assim, é empregado o grampeador ativo para regenerar esta energia para a saída. Além disso, para evitar que o ganho de tensão dependa da razão de transformação, foi aplicada a técnica do arranjo diferencial, o que torna capaz de conseguir-se altos ganhos de tensão com o valor da razão de transformação perto da unidade. O estudo completo do conversor proposto é mostrado e os resultados experimentais do protótipo são apresentados. Os resultados apresentam valores altos de tensão de saída de 240 V, tensão de entrada de 37.7V, com valor de razão cíclica operando numa faixa segura de 0.448 e o valor de razão de transformação perto da unidade, com ambas as chaves operando em ZVS. A eficiência máxima atingida pelo conversor foi de 86%.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis presents a study on isolated DC-DC converters for the interface between a low voltage bus, EBT (48 V), and a low voltage bus, BT (380 V) for a 1.2 kW residential DC-DC nanogrid. The proposed converter makes use of a composite structure where a DCX converter is designed to operate with a constant duty cycle at the point of minor losses. A DC regulator (DCR) controls the regulator for the extra-low voltage (EBT) DC bus that is regulated by the compound converter. In this sense, two performance indices were used to choose the DCX converter: the Effort Factor (Component Stress Factor - CSF) and Fryze Power Factor. CSF is an analytical method used to evaluate and compare converter topologies for a specific application. The Fryze power factor is a simple method for evaluating the amount of non-active power that is processed by a given circuit. The regulator is modeled and a compensator is designed to control the current through a reference provided by a droop loop. To reduce the non-active power processed by the DC regulator, an adjustable transformer was implemented to reduce the non-active power. The efficiency of the composite converter is compared with that of a cascade regulator. To validate the approaches, a 1.2 kW composite converter was designed, built and evaluated under different tests regarding static gain, waveforms, control and efficiency. Esta tese apresenta um estudo sobre conversores CC-CC isolados para a interface entre um barramento de extrabaixa tensão, EBT (48 V), e um barramento de baixa tensão, BT (380 V) para uma nanorrede CC-CC residencial de 1,2 kW. O conversor proposto faz uso de uma estrutura composta onde um conversor DCX é projetado para operar com razão cíclica fixa no ponto de menores perdas. Um regulador CC (DCR) permite a regulação do barramento CC de tensão extrabaixa (EBT) que é regulado pelo conversor composto. Neste sentido, para a escolha do conversor DCX foram utilizados dois índices de desempenho: o Fator de Esforços (Component Stress Factor - CSF) e Fator de Potência de Fryze. O CSF é um método analítico usado para avaliar e comparar diferentes topologias de conversores para uma aplicação específica. Já o fator de potência de Fryze é um método simples para avaliar a quantidade de potência não-ativa que é processada por um determinado circuito. O regulador CC é modelado e um sistema de controle é projetado para realizar o controle da corrente através de uma referência fornecida por uma malha de droop. Para reduzir a potência não-ativa processada pelo regulador CC, foi implementado um transformador regulável que tem como objetivo reduzir a potência não-ativa. O rendimento do conversor composto é comparado com o de um regulador em cascata. Para validar as abordagens, um protótipo do conversor composto de 1,2 kW foi projetado, construído e submetido a inúmeros ensaios de laboratório, sendo avaliado experimentalmente o ganho estático, forma de ondas, controle e rendimento do conversor proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES With the search for clean renewable energies and the growing of the greenhouse gases, there is an increase in the number of electric vehicles and own generation. As most renewable energies are naturally in DC the best way to integrate them is through a DC microgrid, where there is an energy storage system with dual power flux and with that comes the needs for bidirectional converters more efficient with simple operation, high gain, reliability and ease of control. Based on this, this work proposes to present a brief review about some of the non-isolated bidirectional converters that have the necessary characteristics for the application, as well as the proposal of four new topologies based on the classic bidirectional buck/boost converter with simplicity of operation, high efficiency and synchronous and asynchronous mode. To achieve such a goal in the proposed converters, some alteration in the classical converter has been done in way that the input and output can be connected in series, parallel or both, in order to get lower stresses in the components. For the proposed topologies are presented its operating stages, design methodology, static and dynamic modeling, estimated efficiency and control technique. In the end, a 1 kW prototypes was implemented to validate the theoretical evaluations with experimental results. Com a busca por energias renováveis limpas e a crescente emissão de gases colaboradores com o efeito estufa houve um aumento do número de veículos elétricos e geração própria. Como a maiorias das energias renováveis são naturalmente em corrente contínua (CC) a melhor maneira de integra-las é através de uma microgrid CC, onde há um sistema de armazenamento de energia com duplo fluxo de potência e com isso surge a necessidade de conversores bidirecionais mais eficientes com simplicidade de operação, elevado ganho, confiabilidade e facilidade de controle. Este trabalho se propõe a apresentar uma breve revisão sobre alguns dos conversores bidirecionais não isolados que apresentam as características necessárias para a aplicação, onde a principal contribuição deste trabalho é a proposta de quatro novas topologias baseadas no conversor bidirecional clássico buck/boost, com simplicidade de operação, elevada eficiência e modos de acionamento síncrono e assíncrono. Para alcançar tais características nos conversores propostos, foram feitas alterações no conversor clássico de forma que as entradas e saídas possam ser conectadas em série, paralelo ou ambas, a fim de obter menores esforços sobre os componentes. Para as topologias propostas são apresentadas suas etapas de funcionamento, metodologia de projeto, modelagem estática e dinâmica, eficiência estimada e técnica de controle. Ao fim, foram implementados protótipos de 1 kW para validar as avaliações teóricas com resultados experimentais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This dissertation presents the control system for a DC-Nanogrid based on the DCBus Signalling technique. Converter principle of operation is described and its control loops are designed. Modulation geometric approach is used in order to simplify the mathematical modelling and its inner current loop. In order to maximize the power extracted from the photovoltaic arrangement, a maximum power point tracking algorithm is implemented in a indirect way, regulating the input DC-bus voltage. NIBB converter operates in closed loop, using a faster inner inductor current, using the voltage across the inductor as control variable as well as two outer voltage slower loops, so it would be possible to regulate both input and output voltages (V1 and V2). Both simulation and experimental results corroborate the theoretical analysis about the efficiency improving on the BBNI converter as it can be modulated by modifying a auxiliar voltage, adding a degree of freedom in the PWM modulation. Esta dissertação apresenta o sistema de controle para uma nanorrede CC baseado na tecnica de sinalização pela tensão do barramento CC. O princípio de operação do Conversor Buck-Boost Não-Inversor (BBNI) é descrito e suas malhas de controle são projetadas. A abordagem geométrica para a modulação PWM é utilizada para simplificar a estrutura de controle e modelagem matemática para a malha interna de corrente, fazendo com que esta seja bidirecional e comum para os dois modos de operação do conversor. Para extrair a maxima potência do módulo fotovoltaico, o rastreamento do ponto de maxima potência (MPPT - Maximum Power Point Tracking) é realizado de maneira indireta, controlando o barramento de entrada do conversor. O Conversor BBNI opera em malha fechada utilizando uma malha rápida de corrente do indutor e usando a tensão sob o indutor como variável de controle e duas malhas externas mais lentas (droop e regulacão da tensão de entrada). Os resultados de simulação e experimentais corroboram as análises teóricas acerca da melhora na eficiência do conversor BBNI visto que este é modulado utilizando uma variável auxiliar, a qual adiciona um grau de liberdade adicional para a modulação PWM.

This work presents a distributed hierarchical control strategy applied to the parallelism of UPSs. A dynamic approach with separation of concerns is proposed for the secondary control, where a named grid forming inverter is responsible for restoring the amplitude and frequency of the output voltage, while the remaining inverters, named as grid supporting, are responsible for enhancing the long-term power sharing. This strategy aims to minimize the trade-off between voltage regulation and power sharing through the secondary control, which uses a low bandwidth communication link. For the primary controller, the resistive droop control with the virtual resistance concept is employed to accomplish short-term power sharing. Simple design guidelines for the secondary controllers are provided based on simplified models developed in the work. Extensive experimental results are obtained from two 500 VA prototypes in order to evaluate the feasibility of the proposed strategy, which demonstrate its good performance, where the amplitude and power sharing errors remained below 1% and 2%, respectively, for all evaluated load conditions. Este trabalho apresenta uma estratégia de controle hierárquico distribuído aplicada ao paralelismo de UPSs. Uma abordagem dinâmica com separação de atribuições é proposta para o controle secundário, no qual um inversor denominado inversor formador de rede é responsável por restaurar a amplitude e frequência da tensão de saída, enquanto os demais inversores, denominados inversores de suporte à rede, são responsáveis por aprimorar o compartilhamento de potência em regime permanente. Esta estratégia visa minimizar o compromisso entre regulação de tensão e compartilhamento de potência por meio do controle secundário, que usa um barramento de comunicação de baixa taxa de transferência de dados. Para o controlador primário, são empregados o método droop resistivo e o conceito de resistência virtual para realizar o compartilhamento de potência transitório. Diretrizes para o projeto dos controladores secundários são fornecidas com base em modelos simplificados desenvolvidos no trabalho. Resultados experimentais são obtidos a partir de dois protótipos de 500 VA a fim de avaliar a viabilidade da estratégia proposta, os quais demonstram seu bom desempenho, onde os erros de amplitude e compartilhamento de potência permaneceram abaixo de 1% e 2%, respectivamente, para todas as condições de carga avaliadas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq A crescente utilização dos Sistemas de Geração Distribuída (SGD) baseados em fontes de energia renováveis (FER) tem contribuído para a redução de diversos impactos ambientais, econômicos e sociais causados pela queima de combustíveis fósseis no sistema de geração convencional. Entretanto, o aumento massivo da produção de energia elétrica a partir da utilização de FERs, também provoca impactos indesejáveis, como a redução da inércia da rede elétrica, oscilações na amplitude da tensão e redução das margens de estabilidade. Além disso, o Sistema Elétrico de Potência (SEP) tem alterado sua configuração e o conceito de microrrede tem ganhado interesse nos últimos anos. Nessa abordagem, sistemas de controle mais eficientes e confiáveis são requeridos para uma operação adequada do SEP. Com isso, estratégias de controle têm sido desenvolvidas, com o objetivo de que os SGDs forneçam a potência gerada pela fonte primária, mas também deem suporte de tensão e frequência à rede elétrica, promovendo o aumento das margens de estabilidade e garantindo a qualidade de energia. Dessa forma, neste trabalho é proposto um sistema de controle baseado no conceito de Gerador Síncrono Virtual (GSV), com o objetivo de contribuir com a estabilidade da rede elétrica, dando suporte de tensão através da regulação do fluxo de potência entre o SGD e a rede, a partir do uso da técnica de controle por decaimento P/ω e Q/V. O suporte de frequência é obtido com a introdução de uma inercia virtual no SGD. A inércia virtual é emulada por meio de técnicas de atraso de transporte aplicada na regulação de potência. Diferentemente da maioria dos trabalhos que utilizam a abordagem de GSV, um esquema de partida suave é desenvolvido, utilizando a estimação do vetor tensão da rede elétrica, feita por um SRF-PLL (do inglês, Synchronous Reference Frame Phase Locked Loop). Resultados de simulação são apresentados para validar o método proposto

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Geração Distribuída (INCT-GD) – CNPq Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS This work provides some conceptual and practical contributions about the use of DC–DC power converters connected as step-up/down series voltage regulators in string or multi-string architectures of grid-tie photovoltaic systems, which allow to carry out the partial power processing. In practical terms, the basic implementation restrictions and also the requirements for operation with bidirectional active power flow required to develop topologies of this type are defined. From a conceptual point of view, it is determined that the series connection is a necessary condition, but only a thorough analysis in terms of the non-active power processed can define the requirements that allow characterizing which series regulators are capable of performing partial power processing. For this, it is proposed a new application to the well-known Fryze power theory, which is used to develop a mathematical procedure that allows to evaluate both active and non-active power processing in DC–DC power converters. Through a comparative analysis between two series regulators based on H-bridge converters, it is verified that partial power processing can be achieved by adjusting the turns ratio of the transformers used in these two topologies. Thus, the main advantages of using series regulators to replace traditional step-up/down power converters are demonstrated. Based on the voltage regulation range definition and both European and Californian efficiencies, it is verified that the average value of the weighted total non-active power is higher under the cascade-connected non-inverting buck–boost operation (European: 793.18 var; Californian: 955.19 var), being lower under the series-connected full-bridge/push–pull converter (European: 518.14 var; Californian: 623.89 var) and the series-connected half-bridge/push–pull converter operation (European: 458.68 var; Californian: 552.39 var), thus this latter is the evaluated topology that performs the least power processing. In order to validate the approaches, two 2202 W prototypes were designed and submitted to numerous laboratory tests. Regarding the non-active power processed by the circuit elements of the DC–DC converters, all values obtained experimentally were consistent with the numerical and circuit simulations results. In terms of performance, the series-connected halfbridge/ push–pull prototype without snubbers resulted in weighted average global efficiencies of approximately 98.38% (European) and 98.95% (Californian). Under the same operation conditions, the cascade-connected non-inverting buck–boost prototype resulted in weighted average efficiencies of approximately 98.70% (European) and 98.73% (Californian). Esta dissertação provê contribuições conceituais e práticas quanto ao emprego de conversores CC–CC conectados como reguladores série abaixadores/elevadores de tensão em arquiteturas string ou multi-string de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, os quais têm se destacado por possibilitar a realização do processamento parcial de potência. Em termos práticos, são definidas as restrições básicas de implementação e também os requisitos para operação com fluxo bidirecional de potência ativa requeridos para desenvolver topologias deste tipo. Do ponto de vista conceitual, determina-se que a conexão série é uma condição necessária, mas somente uma análise em termos da potência não-ativa processada pode estabelecer os requisitos que permitem distinguir quais reguladores série são capazes de realizar o processamento parcial de potência. Para isto, propõe-se uma nova aplicação à bem-conhecida teoria de Fryze das potências, a qual é utilizada como base para desenvolver um procedimento matemático que permite avaliar o processamento de potência ativa e não-ativa em conversores CC–CC. Por meio de análises comparativas realizadas entre dois reguladores série baseados em conversores H-bridge, constata-se que o processamento parcial de potência pode ser alcançado mediante o projeto adequado da relação de espiras dos transformadores utilizados nas duas topologias. Com isto, demonstra-se as principais vantagens do uso de reguladores série em substituição aos conversores abaixadores/elevadores de tensão tradicionais. Baseado na definição da faixa de regulação de tensão e nas eficiências Europeia e Californiana, verifica-se que o valor médio da potência não-ativa total ponderada é mais significativo na operação do buck–boost não-inversor conectado em cascata (Europeia: 793,18 var; Californiana: 955,19 var), sendo menos expressivo no full-bridge/push–pull conectado em série (Europeia: 518,14 var; Californiana: 623,89 var) e no half-bridge/push–pull conectado em série (Europeia: 458,68 var; Californiana: 552,39 var), o que torna esta última a topologia avaliada que realiza o menor processamento de potência. Para validar as abordagens, dois protótipos de 2202 W foram projetados, construídos e submetidos a inúmeros ensaios de laboratório. Com relação à potência não-ativa processada pelos elementos de circuito dos conversores CC–CC, os valores obtidos experimentalmente se mostraram condizentes com os resultados das simulações numéricas e de circuito. Em termos de desempenho, o protótipo do half-bridge/push–pull conectado em série sem snubbers apresentou eficiências médias ponderadas de 98,38% (Europeia) e 98,95% (Californiana). Nas mesmas condições de operação, o protótipo do buck–boost não-inversor conectado em cascata apresentou eficiências médias ponderadas de 98,70% (Europeia) e 98,73% (Californiana).

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho é apresentada a análise de uma topologia do conversor CC-CC Cúk bidirecional operando no modo de condução contínuo. O conversor estudado possui três indutores, dois capacitores e quatro interruptores, os quais operam de modo complementar. Sua aplicação é analisada na conexão com carga RC, em malha aberta e malha fechada. O conversor CC-CC Cúk bidirecional com dobrador de tensão, tem como vantagem a redução dos valores de tensão máxima nos semicondutores, o que permite utilizar dispositivos com menores perdas. Como desvantagem, emprega um número maior de componentes. O trabalho apresenta a análise teórica do conversor, contendo as etapas de operação, as formas de onda ideais, e a análise matemática para a obtenção das equações de projeto. Adicionalmente, são apresentados os modelos orientados ao controle de tensão e da corrente. Simulação numérica e ensaios experimentais, foram realizados para comprovar o funcionamento do conversor. O conversor foi projetado e construído para operar com uma tensão de entrada no sentido direto de 250 V, com tensão de saída de 360 V, operando com uma frequência de comutação igual a 100 kHz e uma potência entregue à carga igual a 2 kW. This paper presents the analysis of a bidirectional Cúk converter topology operating in the continuous conduction mode. The studied converter has three inductors, two capacitors and four switches, which operate in complementary mode. Its application is analyzed in connection with an RC load, in open loop and in closed loop. The bidirectional DC-DC Cúk converter with voltage doubler has the advantage of reducing the maximum voltage values in semiconductors, allowing the use of devices with lower losses. As a disadvantage, it increases the component count. The paper presents the theoretical analysis of the converter, containing the operation stages, the ideal waveforms, and the mathematical analysis to obtain the design equations. Additionally, models oriented to voltage and current control are presented. Numerical Simulation and experimental tests were conducted to demonstrate the operation of the converter. The converter is designed and built to operate with an input voltage in the direct mode of 250 V, with a 360 V output voltage, operating with a switching frequency of 100 kHz, and a 2 kW rated output power.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020. Esta dissertação de mestrado propõe uma topologia de conversor CC-CC bidirecional isolada baseada na integração dos conversores meia-ponte assimétrica e push-pull alimentado em corrente para realizar a interface entre o barramento principal de uma microrrede CC e um sistema de armazenamento de energia. A energia armazenada na indutância de dispersão do transformador causa sobretensões nos interruptores do estágio push-pull, sendo estas sobretensões reguladas pelo conversor buck. O conversor opera com comutação suave do tipo ZVS nos interruptores do estágio meiaponte em ambos os fluxos de potência. Estudos teóricos a respeito do ganho estático, característica de saída, análise da comutação e cálculo dos esforços de corrente e tensão nos componentes além de uma metodologia de projeto, são demonstrados. O estudo é validado com a experimentação de um protótipo de 2kW, com tensão do barramento de 400V e tensão do banco de baterias de 48V. Atinge-se uma eficiência máxima de aproximadamente 96,3% em ambos os fluxos de potência. O conversor proposto apresenta elevado ganho de tensão, técnica de modulação única, número reduzido de interruptores e baixa ondulação de corrente no lado de baixa tensão. Abstract: This master?s thesis proposes a bidirectional DC-DC converter topology based in the integration of asymmetric half-bridge and current-fed push-pull converters to create an interface between the main bus of a DC microgrid and an energy storage system. The energy stored in the transformer?s leakage inductance causes overvoltages in the push-pull stage switches, which are regulated by the buck converter. The converter operates with soft switching of the ZVS type on the half bridge stage switches on both flow directions. Theoretical studies on static gain, output characteristic, switching analysis and calculation of current and voltage stresses in the components, as well as a design methodology, are demonstrated. The study is validated with the experimentation of a 2kW prototype, with 400V bus voltage and 48V battery bank voltage. A maximum efficiency of approximately 96,3% is achieved in both flow directions. The proposed converter has high voltage gain, unique modulation technique, reduced number of switches and low current ripple on the low voltage side.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Sistemas de eletrônica de potência eficientes e confiáveis a longo prazo são um dos próximos grandes desafios no setor de energia. A eficiência e a confiabilidade do conversor de potência são elementoschave para expandir a capacidade instalada de fontes de energia renováveis e devem ser levadas em consideração na estimativa de processamento anual de energia e em suas fases de projeto. Assim, para maximizar o rendimento energético, reduzir custos e aumentar o lucro por geração de energia, um conversor de potência deve ser projetado de acordo com as características específicas do sistema e de seu perfil energético. Tomando como estudo de caso sistemas fotovoltaicos, a potência instantânea fornecida depende de vários fatores, como irradiância solar, temperatura ambiente, orientação e tipo de montagem do painel, eficiência das células solares, entre outros. Esta tese de doutorado visa contribuir com este tópico propondo uma nova e abrangente metodologia de projeto multiobjetivo para a seleção de capacitores em conversores de potência, com base no perfil de missão energética e ambiental em que o sistema irá operar. Para atingir esse objetivo, um método de caracterização do perfil da missão foi desenvolvido para permitir ao projetista um conjunto de informações sobre o comportamento de longo prazo de uma usina fotovoltaica. Além disso, para realizar uma análise de longo prazo do desempenho do conversor de energia, é feita uma modelagem eletro-térmica e de vida útil dos capacitores que atuam como buffer de energia, em função das condições variáveis das condições ambientais e do processamento de energia. Os resultados de um inversor fotovoltaico de estágio único são apresentados e discutidos com os seguintes objetivos: 1) entender como os diferentes perfis de missão afetam o desempenho dos conversores de potência e 2) como usar esse conhecimento para projetar adequadamente os capacitores com uma visão de longo prazo. Uma ferramenta de projeto de várias etapas é desenvolvida para atingir esse objetivo, onde o custo, o volume e a confiabilidade de vários projetos de banco de capacitores podem ser avaliados rapidamente pelo designer. Para demonstrar ainda mais a utilidade desta ferramenta de projeto proposta, também são apresentados análises e resultados de um segundo estudo de caso, onde os mesmos passos são utilizados para projetar os capacitores do DClink de uma fonte ininterrupta de potência de dupla conversão. Long-term effective and reliable power electronics systems are one of the next big challenges in the energy sector. Power converter’s efficiency and reliability are key elements for expanding renewable sources installed capacity and should be taken into account in annual power processing estimation and in its design phases. Thus, in order to maximize energy yield, reduce costs, and increase revenues by power generation, a power converter must be designed according to the specific system characteristics and its energy profile. Considering photovoltaics (PV) systems as a case study, the instantaneous power delivered is dependent on several factors, such as solar irradiance, ambient temperature, module orientation and mounting type, solar cell performance, among others. This Doctoral dissertation aims to contribute to this topic by proposing a comprehensive and novel multi-objective design methodology for designing capacitors in power converters, based on the energy and environmental mission profile in which they will operate. To achieve this goal, a mission profile characterization method was developed in order to enable the designer with a set of information about the long-term behavior of a PV power plant. Also, in order to enable the long-term analysis of power converter performance, an electro-thermal and lifetime modeling of energy buffer capacitors are done in the function of varying conditions of both ambient levels and energy processing. Results for a single-stage PV inverter are presented and discussed with the following objectives: 1) to understand how different mission profiles affect the performance of power converters and 2) how to use this knowledge in order to properly design the capacitors on a longterm view. A multi-step design tool is developed to reach this goal, where cost, volume, and reliability of multiple capacitor bank designs can be quickly evaluated by the designer. To further demonstrate the usefulness of this proposed design tool, analyses and results of a second case study are also presented, where the DC-link capacitors of a double-conversion uninterruptable power supply are designed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Harvesting energy from vibrations by means of transducers is becoming a promising solution, within the context of IoT (Internet of Things), for supplying microsensor nodes and microcircuits. However, in order to extract electrical energy from the vibrations, piezoelectric transducers are necessary, which in turn convert the kinetic energy of the vibrations into electrical energy. For this, this work seeks to develop a vibrational energy collector, which consists of a switched inductor as low-loss energy transfer device, and functional modules required by the harvester for signal transformation and conditioning. Systematically, the various sensor modules of the system, necessary for the effective control of the energy harvesting process, are cataloged and the control variables are defined in function of these sensors by means of a control logic module described and modelled in Verilog-A language. The several modules used to build the energy harvester system (Energy-Harvester System) were simulated and its control verified. Simulation results showed the correct functioning of the system, the effect of the energy investment on the battery charging profile and the possibility of operating with maximum energy harvesting through the control of investment and harvesting times with the addition of an MPPT algorithm (Maximum Power Point Tracking). Coletar energia das vibrações por meio de transdutores está tornando-se uma solução promissora, dentro do contexto de IoT (Internet of Things), para a alimentação de nós microssensores e microcircuitos. Contudo, para extrair energia elétrica a partir das vibrações é necessária a utilização de transdutores piezelétricos, que por sua vez, convertem a energia cinética das vibrações em energia elétrica. Para tal, este trabalho busca desenvolver um coletor de energia vibracional, o qual é composto por um indutor comutado como meio de transferência de energia de baixa perda, e por módulos funcionais requeridos pelo coletor para transformação e condicionamento do sinal. De forma sistemática, os diversos módulos sensores do sistema, necessários para o efetivo controle do processo de coleção de energia, são catalogados e as variáveis de controle são definidas em função desses sensores por meio de um módulo de controle lógico descrito e modelado em linguagem Verilog-A. Os diversos módulos que compõem o sistema de coleta de energia (Energy-Harvester System) foram simulados e o controle verificado. Resultados de simulação mostraram o correto funcionamento do sistema, o impacto do investimento de energia no perfil de carga da bateria e a possibilidade de se operar com máxima coleta de energia a partir do controle dos tempos de investimento e coleta com a adição de um algoritmo de MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq This dissertation deals with the design and development of an Adaptive Control by Model Reference (MRAC) structure together with a Sliding Mode (SM) controller through a simplified first order reference model, neglecting non-dominant dynamics in the system’s plants. This control strategy is developed for a photovoltaic grid-connected quasi-Z-Source inverter with LCL filter. Throughout the text, its discussed the modeling of the DC-AC converter, the design of the elements that make up the system, as well as the analysis of the plants. The design and development of a MRAC-SM structure for the DC side and the AC side of the analyzed inverter will be presented. Offline simulation results and practical results in Hardware in the Loop are presented to show the difference and advantages of this control strategy compared to a conventional controller, widely studied in the literature. Esta dissertação trata do projeto e desenvolvimento de uma estrutura de controle Controle Adaptativo por Modelo de Referência (MRAC) juntamente com um controlador Sliding Mode (SM) aplicado a um conversor CC-CA quasi-Z-Source fotovoltaico, monofásico, conectado à rede. A estrutura de controle é desenvolvida com base em um modelo de referência simplificado de primeira ordem, negligenciando dinâmicas não dominantes nas plantas do sistema. Ao longo desse trabalho é feita a modelagem do conversor CC-CA, o projeto dos elementos que compõem o sistema, bem como análise dos modelos obtidos. Este trabalho apresenta o projeto e desenvolvimento de uma estrutura MRAC-SM para o lado CC e para o lado CA do conversor analisado. Resultados de simulação offline e resultados práticos em Hardware in the Loop são apresentados para mostrar as diferenças e as vantagens dessa estratégia de controle se comparada aos controladores convencionais de ganhos fixos, amplamente discutido na literatura.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Due to its ability to provide Maximum Power Point Tracking (MPPT) control and independent regulation of the DC bus voltage, this makes the inverter quasi-Z-Source (qZS) an attractive candidate for applications in photovoltaic (PV) systems. To improve the quality of the waveform of the current injected into the grid, cascaded multilevel inverters has gained great interest. In order to understand these concepts, the qZS Cascaded Multilevel Inverter (qZS-CMI) based grid-tie PV systems has previously been proposed. Compared with other inverters, the named Single DC Source quasi-Z-Source Cascade Multilevel Inverter (SS qZS-CMI) has the ability to make use of a single DC source to share active power for all cascaded qZS modules. This is accomplished by replacing its Z-impedance inductances by coupled inductors. The qZS-CMI provides the distributed MPPT, and keeps the DC bus voltage regulation producing a true symmetric CMI topology. In spite of this, a set with strings of separate PV panels are required, making it suitable for PV systems with a few dozens of kilo-Watts (kW) or more. Aiming to keep the advantages of the qZS-CMI for smaller PV systems, this work proposes a novel topology, SS qZS-CMI. Thus providing a detailed analysis of the operation with a design methodology for the hardware, as well as the modeling and controller design. Experimental results are provided to prove the operation of the proposed system and the control strategy implemented. Keywords: cascade loop controller, cascade multilevel inverter (CMI), DC-AC converter, electrical engineering, LCL filter, power electronics, quasi-Z-source inverter (qZSI), renewable energy sources. Devido à sua capacidade de fornecer o controle do rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking) e regulação independente da tensão do barramento CC faz do inversor quase Fonte Z (qZS, do inglês quasi-Z-Source) um candidato atrativo para aplicações em sistemas de potência fotovoltaica (PV, do inglês Photovoltaic). Para melhorar a qualidade da forma de onda da corrente injetada na rede, os inversores multiníveis cascata tem ganhado grande interesse. Com o objetivo de compreender estes conceitos, o inversor multinível cascata qZS (qZS-CMI, do inglês quasi-Z-Source Cascaded Multilevel Inverter) para sistemas PV conectados à rede já foi proposto anteriormente. Comparado com outros inversores qZS, o nomeado Inversor Multinível Cascata quasi-Z-Source com Fonte CC Única (SS qZS-CMI, do inglês Single DC Source quasi-Z-Source Cascade Multilevel Inverter) tem a habilidade de fazer uso de uma única fonte CC para compartilhar potência ativa para todos os módulos qZS em cascata. Isto é realizado pela substituição do indutor de impedância Z por indutores acoplados. O qZS-CMI fornece o MPPT distribuído e mantém a regulação da tensão do barramento CC possuindo características que denotam esta topologia como sendo uma CMI simétrica. Apesar disso, um conjunto com arranjos de painéis PV separados são necessários, tornando-o adequado para sistemas PV com algumas dezenas de kilo-Watts (kW) ou mais. Com o objetivo de manter as vantagens do qZS-CMI para sistemas PV menores, este trabalho propõe uma nova topologia, o SS qZS-CMI. Fornecendo assim uma análise detalhada da operação com uma metodologia de projeto para o hardware, bem como a modelagem e o projeto dos controladores. Resultados experimentais são fornecidos comprovando assim a operação do sistema proposto e a estratégia de controle implementada.

Fundação de Apoio à Tecnologia e Ciência, FATEC Micro-inverters are small single-phase photovoltaic power generation modules that connect directly to a photovoltaic panel and the electrical grid, which typically consist of a DC-DC stage and a DC-AC stage. The topology of the chosen microinverter is DC link, for its simplicity and to ensure that only high frequency current components flow through the DC-DC stage transformer. In this work, a topology of MIC is presented, highlighting the CC-CA stage, where it presents a contribution in the development of microinverters with high energy conversion efficiency. One of the main goals is to reduce losses in the CC-CA stage by using a buck inverter in conjunction with an LCL filter. The buck-type inverter consists of the inclusion of only one switch in series with the H-bridge of switches. In this way, the additional switch is responsible for producing a (always positive) sine wave current that is unfolded by the switches on the H-bridge. Therefore, the system operates with only one highfrequency switch to make the pulse width modulation so that all other bridge inverter switches operate at the network frequency, unfolding. In order to increase the power density, the attenuation of the filter must be increased, reducing both the volume of the components and the losses in the conduction of the same. Based on this, a third-order LCL filter having an attenuation of 60 dB / dec was chosen. Current control uses a multi-resonant controller which tracks the sine-wave reference at 60 Hz and also compensates for current harmonic components present in the multiple frequencies of the 3rd and 5th fundamental. In addition, in order to overcome the stability problems related to the LCL filter response, an active damping loop is proposed, which does not require passive elements or additional sensors to perform the same, which increases efficiency and reduces associated costs to the system. Due to the use of a DC link micro-inverter, an external voltage control grid is implemented to regulate the voltage of the capacitive bus which is composed of a film capacitor instead of an electrolytic capacitor, which tends to increase the useful life of the system. Experimental results of a 200 W prototype demonstrate the feasibility of the proposal. Finally, the comparison between the efficiency of the micro-inverter with active damping and passive damping is evaluated, according to the European efficiency standard. Os microinversores são pequenos módulos fotovoltaicos monofásicos de geração de energia que se conectam diretamente a um painel fotovoltaico e a rede elétrica, que normalmente são compostos por um estágio CC-CC e um estágio CC-CA. A topologia do microinversor escolhida é com link CC, por sua simplicidade e por assegurar que somente componentes de corrente em alta frequência circulem pelo transformador do estágio CC-CC. Neste trabalho é abordada uma topologia de MIC com destaque para o estágio CC-CA, aonde é apresenta uma contribuição no desenvolvimento de microinversores com elevada eficiência na conversão de energia. Um dos principais objetivos é reduzir as perdas no estágio CC-CA por meio da utilização de um inversor buck em conjunto com um filtro LCL. O inversor tipo buck consiste na inclusão de apenas um interruptor em série com a ponte H de interruptores. Desta forma, o interruptor adicional é responsável por produzir uma forma de onda de corrente senoidal em módulo (sempre positiva) que é desdobrada (unfolded) pelos interruptores da ponte H. Portanto, o sistema opera com apenas um interruptor em alta frequência para fazer a modulação por largura de pulso, de maneira que os demais interruptores do inversor em ponte completa operem na frequência da rede, desdobrador (unfolding). Para se aumentar a densidade de potência deve-se aumentar a atenuação do filtro, reduzindo-se tanto o volume dos componentes quanto as perdas em condução do mesmo. Com base nisso, escolheu-se um filtro de terceira ordem LCL que possui uma atenuação de 60 dB/dec. O controle da corrente utiliza um controlador multi-ressonante o qual rastreia a referência senoidal em 60 Hz e também compensa os componentes harmônicos de corrente presentes nas frequências múltiplas da fundamental 3ª 5ª e 7ª. Além disto, para contornar os problemas de estabilidade referentes à resposta do filtro LCL é proposto uma malha de amortecimento ativo, a qual não necessita de elementos passivos nem de sensores adicionais para a realização da mesma, o que aumenta a eficiência e reduz os custos associados ao sistema. Em virtude de utilizar um microinversor com link CC uma malha externa de controle de tensão é implementada para regular a tensão do barramento capacitivo o qual é composto por um capacitor de filme ao invés de um capacitor eletrolítico, o que tende a elevar a vida útil do sistema. Resultados experimentais de um protótipo de 200 W demonstram a viabilidade da proposta. Por fim, é avaliado, segunda a norma europeia de eficiência, a comparação entre a eficiência do microinversor com amortecimento ativo e com amortecimento passivo.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES In recent years, there is an increasing energy demand due to the use of fossil fuels and it has caused very large impacts on nature. As scientists and industries are aware that this type of production uses limited reserves, there is a worldwide tendency to increase studies and investments in alternative energy sources. One of the sources that stands out is the photovoltaic energy due to its flexibility in power and integration with the distributed generation system (DG). This dissertation presents the analysis, design and implementation of high voltage gain isolated DC-DC converters, all applied to the photovoltaic energy processing. These converters are based on the Boost and Cuk converters. The high voltage gain will be possible through the use of high gain cells – a concept that is defined in this work. Galvanic isolation will be used to provide insulation and voltage gain. To extract the maximum power from the photovoltaic module, the Maximum Power Point Tracking (MPPT) will be tested. This mechanism will be designed and implemented directly, controlling the input voltage of the DC-DC converter. The experimental results are performed for two prototypes, an isolated Cuk converter R2P2 cell and voltage multiplier. The second, on isolated Cuk R2P2 converter. The second converter does not have the multiplier on the secondary. The efficiency of the converters will be analyzed when applied to 200 W photovoltaic panel. A crescente demanda energética ocorrida nos últimos anos tem causado impactos muito grandes na natureza, devido ao uso de combustíveis fósseis, os quais possuem reservas limitadas. Devido a esses fatores, tem-se buscado o uso de fontes de energia alternativas. Uma das fontes que se destaca é a energia fotovoltaica, por conta de sua flexibilidade quanto à potência e integração com o sistema de geração distribuída (GD). Esta Dissertação de Mestrado apresenta a análise, o projeto e a implementação de conversores CC-CC isolados de alto ganho de tensão aplicados ao processamento de energia fotovoltaica e baseados no conversor Boost e Cuk. O elevado ganho de tensão será possível através do uso de células de alto ganho, cujo conceito é definido neste trabalho. O uso de isolação galvânica proporcionara a isolação e ganho de tensão. Para extrair a máxima potência do módulo fotovoltaico, é realizado o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT - Maximum Power Point Tracking), que é realizado de maneira direta, controlando a tensão de entrada do conversor CC-CC. Dessa maneira os controladores são projetados e implementados para controlar a tensão de entrada. Os resultados experimentais são realizado para dois protótipos: o primeiro será o conversor Cuk R2P2 Isolado com Multiplicador, enquanto o segundo sera o conversor Cuk R2P2 Isolado, o qual não possui o multiplicador no secundário. O rendimento dos conversores será analisado quando aplicados a um painel fotovoltaico de 200 W.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq The Microinverter is an inverter sized to meet individual solar panels, usually consisting of two stages, one DC-DC stage and another CC-AC stage. For the first stage of the DC link microinverter, the isolated current-fed half-bridge converter was chosen because of its characteristics. Such as, lower number of components, simplicity of operation and higher voltage gain. The isolated current-fed half-bridge inverter was analyzed for the operating principle, static gain, voltage and current stresses, estimated losses and efficiency. To improve the performance of the isolated current-fed half-bridge converter, high voltage gain circuit techniques were evaluated and associated in the converter. In this way, four high step-up topologies are proposed and evaluated. In relation to CC-CA stage, the adopted converter is the buck with unfolding. The principle of operation, modeling and control, power losses estimation and design methodology of this converter are analyzed. In addition, a small modification in the circuit caused this topology to present an LCL filter, which is an attractive for systems connected in the grid tie. Finally, to validate the theoretical analyzes, five prototypes of 200 W are evaluated experimentally in the laboratory. The Microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell voltage multiplier presented better features among all DC-DC converters. On the other hand, the results of the CC-CA stage validated achieved the main objective of supplying power to the grid according to standard. Finally, the microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell and buck with unfolding is the one that achieved better performance. O Microinversor é um inversor dimensionado para atender painéis solares individualmente, usualmente composto por dois estágios, um estágio CC-CC e outro estágio CC-CA. Para o primeiro estágio do microinversor com link CC, o conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi escolhido devido às suas características. Tais como, menor número de componentes, simplicidade de operação e maior ganho de tensão. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi analisado em relação ao princípio de funcionamento, o ganho estático, esforços de tensão e corrente, estimativa de perdas e rendimento estimado. Para melhorar o desempenho do conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente, técnicas de circuitos elevadores de tensão foram avaliadas e associadas no conversor. Dessa forma, quatro topologias elevadoras de tensão foram propostas e avaliadas. Em relação ao estágio CC-CA do Microinversor, o conversor adotado é o buck com unfolding, e foram analisados o princípio de funcionamento, a modelagem, o controle, a estimativa de perdas e a metodologia de projeto desses conversores. Além disso, uma pequena modificação no circuito fez com que essa topologia apresentasse um filtro LCL, o que é um atrativo para sistemas conectados na rede elétrica. Por fim, para validar as análises teóricas, cinco protótipos de 200 W foram avaliados experimentalmente no laboratório. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão apresentou melhores características dentre todos os conversores CC-CC elevadores de tensão. O objetivo principal do estágio CC-CA é fornecer energia à rede elétrica de acordo com as normas, e os resultados experimentais comprovaram esse objetivo. Por fim, o microinversor baseado nas topologias meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão e buck com unfolding foi o que alcançou melhor desempenho.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This Master Thesis presents the analysis, design and implementation of a grid-connected module integrated converter, or, simply, microinverter, for photovoltaic applications. The system is composed of two stages: a isolated DC-DC converter and a DC-AC converter (inverter). This proposed micro inverter has a DC bus (DC link), decoupling both stages, allowing to make the project, design and implementation of both individually. The first stage is a zero voltage switching DC-DC full bridge, with phase-shift modulation, and the second stage is a DC-AC full bridge with unipolar pulse-width modulation. Briefly, the first stage provides high voltage gain, besides isolation between the photovoltaic module and the electrical grid, in order that inverter bus has enough voltage to perform grid connection. This connection is made by inverter with output inductive filter. In order to extract the maximum power of photovoltaic module, the maximum power point tracking (MPPT) is made indirectly, controlling inverter bus voltage. Thus, the DC-DC converter operates in open loop, so that system control is design and implementated only on second stage. So, in this way, this Master Thesis contributes developing a microinverter employing classical converter topologies, with high efficiency and simplicity of design and implementation, using just two control loops, in a way that external voltage loop should be able to perform MPPT, ensuring maximum power harvesting of photovoltaic module, and the internal current loop should be able to control active power flow to electrical grid by controlling the current. In order to accomplish MPPT properly, the ripple of 120 Hz in voltage and current of photovoltaic module, generated by pulsed single phase grid power, should have low amplitude. Besides that, in order to be in compliance with standards of grid connection, as total demand distortion and power factor, among others, the current controller project should take into account the inffluence of main harmonic components of grid voltage. Experimental results are presented to prove the micro inverter performance. Esta Dissertação de Mestrado apresenta a análise, o projeto e a implementação de um conversor módulo integrado isolado, ou, simplesmente, microinversor, para realizar a conexão de geração fotovoltaica à rede elétrica. O sistema é composto por dois estágios: um conversor CC-CC isolado e um conversor CC-CA (inversor). O microinversor empregado utiliza um barramento (link CC), desacoplando os dois estágios, permitindo que os conversores possam ser projetados e implementados separadamente. O primeiro estágio é um conversor CC-CC, em ponte completa, modulado por deslocamento de fase, com comutação sob zero de tensão (ZVS – Zero Voltage Switching) e o segundo estágio é um conversor CC-CA, também em ponte completa, utilizando a modulação por largura de pulso (PWM – Pulse-Width Modulation) unipolar. Basicamente, o primeiro estágio proporciona um elevado ganho de tensão, além do isolamento entre o módulo fotovoltaico e a rede elétrica, de modo que o barramento de entrada do inversor tenha tensão suficiente para que a conexão com a rede seja realizada. Essa conexão é feita através do inversor com filtro L de saída. Para extrair a máxima potência do módulo fotovoltaico, o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT – Maximum Power Point Tracking) é realizado de maneira indireta, controlando o barramento de entrada do inversor. Dessa maneira, o conversor CC-CC opera em malha aberta, de modo que os controladores sejam projetados e implementados apenas no estágio CC-CA. Neste sentido, esta Dissertação de Mestrado contribui desenvolvendo um microinversor utilizando topologias clássicas de conversores, possuindo elevado rendimento, simplicidade de projeto e desenvolvimento, com apenas duas malhas de controle, de modo que a malha de tensão seja capaz de realizar o MPPT, garantindo a extração da máxima potência do módulo fotovoltaico, e a malha de corrente consiga regular o fluxo de potência injetada na rede elétrica, através do controle da corrente. Para que o MPPT seja realizado adequadamente, as ondulações de 120 Hz na tensão e corrente do módulo fotovoltaico, provenientes da potência pulsada da rede elétrica monofásica, devem ter amplitude bastante reduzida. Além disso, para que a corrente injetada na rede elétrica esteja adequada às normas vigentes, como limite de distorção harmônica e fator de potência, dentre outras, o projeto do controlador desta malha deve levar em conta a influência das principais componentes harmônicas presentes na tensão da rede elétrica. Resultados experimentais são apresentados para comprovar o desempenho do microinversor.

This work presents a hybrid digital control method for a point-of-load synchronous buck converter implemented in a digital signal processor, seeking to achieve high efficiency in light loads and good transitory responses. To present the control system proposal, a study of the modulation on buck converter is presented analyzing the impact on losses. The control methods are also presented, analyzing behavior and particularities of digital implementation with design methodology. In the proposal two different controllers are used, seeking out to join good characteristics while eliminating drawbacks under different load conditions. For light loads, a constant on-time pulse frequency modulation controller is used, in order to reduce power losses. For high loads, a linear pulse width modulation PID controller is applied due to its better stability, with improved transitory response achieved by multisampling. The study was carried out for a step-down power converter from 3.3V to 1.2V with a maximum load current of 5A. The feasibility of the proposed control method is shown with simulation and experimental results. An efficiency close to 90% was obtained for high loads with a reduction to 80% on the minimum load, the transient time results for load step remained between 100us and 150us. Este trabalho apresenta uma técnica de controle digital híbrido para um conversor ponto de carga abaixador (buck) síncrono implementado de forma digital em um processador digital de sinais, com objetivo de apresentar alta eficiência em cargas reduzidas e respostas transitórias rápidas para variações de carga. Inicialmente, um estudo de possíveis modulações e modos de operação e seu impacto na eficiência do conversor é realizado. Também são discutidos métodos de controle, apresentando comportamento, particularidades da implementação digital, além da metodologia de projeto. Na proposta dois controladores são utilizados em diferentes condições de carga, buscando unir as melhores características e eliminar alguns problemas encontrados em cada técnica quando empregada individualmente. Para cargas reduzidas e modo de condução descontínua, um controlador V2 COT é utilizado produzindo uma modulação em frequência resultando em ganhos de eficiência. Para cargas elevadas, um controle PID com modulação por largura de pulso é utilizado, devido a melhor estabilidade em modo de condução contínua, para acelerar a resposta transitória é aplicada uma técnica multi-amostrada de controle. O projeto foi realizado para um conversor abaixador alimentado em 3,3V e com carga regulada de 1,2V com uma demanda de corrente máxima de 5A. A viabilidade do controle proposto é verificada a partir de simulações e resultados experimentais. Demonstrou-se experimentalmente que a eficiência se manteve próxima a 90% em cargas mais elevadas com um valor mínimo acima de 80% na carga mínima enquanto o tempo de resposta para degraus de carga ficou entre 100μs e 150μs.

This work presents some conceptual and practical contributions about the use of series-regulated DC/DC converters in multi-string photovoltaic systems, which have been presented in the literature as capable of performing partial power processing. From a conceptual point of view, the requirements for distinguish which topologies are able or not to perform partial power processing are defined, and for that, it is developed a methodology to evaluate the active and nonactive power processing on the converter, which depend on its design parameters. By means of the analysis of various topologies of series regulators, it is concluded that the partial power processing is achieved by adjusting the duty cycle and the turns ratio of transformers (or coupled inductors). However, because of the voltage gain specifications, not all series regulators topologies cited in the literature are able of operating in the partial power processing region. It is observed that the series regulators based on buck-boost and flyback topologies do not allow to achieve partial energy processing, whereas the series regulators based on forward and full-bridge topologies may perform partial power processing in certain operation ranges. In addition, the application of series regulators in photovoltaic systems allows the use of the input voltage regulation range as an additional parameter to reduce the power processing in the converters. Thus, a methodology was developed to obtain a stochastic model of the voltage profile in which the energy is generated. The methodology employs the mathematical model of the photovoltaic module and historical data of temperature and irradiation, and demonstrates that for each project there is a voltage regulation range of the dc-dc stage that may result in performance improvements in terms of power density and efficiency. From the definition of the voltage regulation range, it has been demonstrated that the use of series regulators based on topologies with bidirectional power flow (acting as both voltage step-up and voltage step-down) allows to reduce the power processing in the converters even further. As an example, the full-bridge/push-pull topology was evaluated, some technical constraints are defined and some advantages and disadvantages of its application are presented. As a result, it is concluded that although voltage step-up/down topologies are more complex, their proper design may result in improvements in efficiency and power density. In order to validate the analyzes, seven 750 W prototypes were built, achieving efficiencies of up to 99.58 %, and power densities up to 4.76 W/cm3. Este trabalho apresenta contribuições conceituais e práticas acerca do emprego de reguladores série chaveados no estágio CC-CC de sistemas de geração fotovoltaica com arquitetura multistring, os quais têm sido apresentados na literatura como capazes de realizar processamento parcial de energia. Do ponto de vista conceitual, são definidos os requisitos para distinguir quais topologias são capazes ou não de realizar processamento parcial de energia, e, para isso, é desenvolvida uma metodologia de avaliação da energia ativa e não-ativa processada em função dos parâmetros de projeto dos conversores. Por meio da análise de diferentes topologias de reguladores série, conclui-se que o processamento parcial de energia é alcançado pelo ajuste da razão cíclica e da relação de espiras nos transformadores ou indutores acoplados. Contudo, em virtude das especificações de ganho de tensão, nem todas topologias de regulação série citadas na literatura são capazes de operar na região de processamento parcial de energia. Observase que os reguladores série baseados nas topologias buck-boost e flyback não permitem realizar processamento parcial de energia, enquanto que os reguladores série baseados nas topologias forward e full-bridge realizam processamento parcial de energia em determinadas faixas de operação. Além disso, a aplicação de reguladores série em sistemas fotovoltaicos permite utilizar a faixa de regulação de tensão de entrada como um grau de liberdade adicional para reduzir o processamento de energia nos conversores. Neste sentido, foi desenvolvida uma metodologia que utiliza o modelo do módulo fotovoltaico e dados históricos de temperatura e irradiação para obtenção de um modelo estocástico do perfil de tensão no qual a energia é gerada, demonstrando que para cada projeto existe uma faixa de regulação de tensão de entrada que permite aumentar o desempenho do estágio CC-CC em termos de densidade de potência e eficiência. A partir da definição da faixa de regulação de tensão, é demonstrado que o emprego de reguladores série baseados em topologias com fluxo bidirecional de energia (i.e. capazes de atuar como elevadoras e abaixadoras de tensão) permite reduzir ainda mais o processamento de energia nestas estruturas. Como exemplo, a topologia full-bridge/push-pull é avaliada, sendo definidas algumas restrições técnicas e apresentadas algumas vantagens e desvantagens de sua aplicação. Como resultado, conclui-se que apesar das topologias elevadoras/abaixadoras de tensão serem mais complexas, seu projeto adequado pode resultar em melhorias na eficiência e densidade de potência do sistema. Para validar os resultados das análises, foram construídos sete protótipos de 750 W, os quais alcançaram eficiências de até a 99,58% e densidades de potência de até 4,76 W/cm3.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This master thesis presents an energy management strategy in order to eliminate power fluctuations from a photovoltaic source through a single-phase cascade hybrid multilevel grid-tie converter associated with a battery energy storage system. The converter consists of two full bridge cells connected in series, controlled by a hybrid modulation strategy. The cell connected to the photovoltaic source (main cell) operates with single pulse modulation in the fundamental frequency, to regulate the voltage of its DC link by controlling the trigger angle of the switches, in order to transfer the maximum power available to the power grid keeping the dc link constant. The cell connected by the battery bank (auxiliary converter) operates with high frequency PWM modulation, providing dynamic response capacity fast enough to compensate for both power fluctuations and harmonic distortion produced by the main cell by regulating the current injected into the grid as established by Standards (ABNT NBR 16149, 2013; 16150, 2013; IEC 62116, 2012). This is done through the use of a current regulator based on the proportional resonant compensator with a harmonic compensating bank. Simulation results obtained with the hardware-in-the-loop Typhoon HIL402 platform prove the theoretical analysis and the feasibility of the proposed system. Esta dissertação de mestrado apresenta uma estratégia de gerenciamento de energia com intuito de eliminar as flutuações de potência provenientes de uma fonte fotovoltaica ligada à rede elétrica através de um conversor multinível híbrido em cascata monofásico associado a um sistema de armazenamento de energia em baterias. O conversor consiste de duas células em ponte completa conectadas em série, acionadas mediante estratégia de modulação híbrida. A célula ligada à fonte fotovoltaica (célula principal) opera com modulação por pulso único na frequência da rede elétrica, para regular a tensão do seu barramento CC por meio do controle do ângulo de disparo das chaves, com intuito de transferir a máxima potência disponível para a rede elétrica mantendo constante a tensão do barramento. A célula alimentada pelo banco de baterias (conversor auxiliar) opera com modulação PWM, em alta-frequência, proporcionando capacidade de resposta dinâmica suficientemente rápida para compensar tanto as flutuações de potência quanto a distorção harmônica produzidas pela célula principal mediante a regulação da corrente injetada na rede elétrica conforme estabelecido pelas Normas (ABNT NBR 16149, 2013; 16150, 2013; IEC 62116, 2012). Isto é feito através do uso de um regulador de corrente baseado no compensador proporcional ressonante com um banco compensador de harmônicos. Resultados de simulação obtidos con plataforma hardware-in-the-loop Typhoon HIL402 comprovam as análises teóricas e a viabilidade do sistema proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Resonant converters reveal their excellence by means of the philosophy of shaping the converters waveforms in a sinusoidal fashion, allowing soft-switching, increase the operating frequency and reduce electromagnetic interference, which are important miniaturization requirements for high efficiency converters. Furthermore, applications in renewable energy sources, electric vehicles, LED, mobile devices, wireless power transfer and so on, have been recent research and make use of unique attributes of these converters. Notwithstanding, resonant converters analysis is more complex than their pwm counterparts due to multiresonant procedure in the converter, so the analytical solutions are hard to be obtained. This master’s thesis aims the development of a normalized approach for resonant converters analysis and design. The method is used to represent the system in a normalized state-space model that is independent of real circuit parameters, such as, inductances, capacitances and resistances. In addition, the normalization procedure is performed by means of an equivalence transformation, in which, a new state vector that is composed by terms as the square root of the stored energy in reactive components, is used to system modeling, making the system independently of input and operating frequency. Therefore, gain and component stress curves can be obtained for any operating point, and they can be used to converters design. Analysis and design of several converters are performed and a comparison of theoretical, simulation and experimental results is conducted. A converter selection design procedure is developed, in which, starting from specifications, it is possible to compare a number of converters and elucidate the choice of the most suitable topology. The main advantages of the methodology are: converters analysis for any operating point independently of circuit parameters; normalized design; obtaining gain and component stress curves and topologies comparison. The results can be used as theoretical basis for high efficiency systems development that operate in increased frequency, which are a trend in power electronics applications. Conversores ressonantes revelam sua excelência por meio da filosofia de moldar as formas de onda dos conversores de maneira senoidal, possibilitando operação com comutação suave, aumento da frequência de operação e redução de interferência eletromagnética, requisitos importantes para miniaturização de conversores de alta eficiência. Além disso, aplicações em fontes renováveis, veículos elétricos, LED, dispositivos portáteis, transferência de energia sem fio, entre outras, têm sido alvo de estudo e fazem uso dos atributos únicos destes conversores. Não obstante, a análise de conversores ressonantes é mais complicada que seus contrapartes PWM devido às multirressonâncias envolvidas no processo de conversão de energia, o que dificulta obter soluções analíticas. A presente dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de uma abordagem normalizada para análise e projeto de conversores ressonantes. A abordagem desenvolvida representa o sistema em um modelo de espaço de estados normalizado independente de parâmetros de circuito, tais como indutâncias, capacitâncias e resistências. Ademais, o procedimento de normalização é realizado por meio de uma transformação de equivalência, em que um novo vetor de estados considerando a raiz quadrada da energia armazenada nos componentes reativos é utilizado para modelar o sistema, tornando-o independente da entrada e frequência de operação. Logo, curvas de ganho podem ser obtidas para qualquer ponto de operação, e são utilizadas para projetar os conversores. Diversos conversores são analisados, projetados e utilizados para obtenção de um comparativo entre resultados teóricos, de simulação e experimentais. Um método de projeto orientado à escolha do conversor é desenvolvido, no qual, partindo de especificações, é possível comparar diversos conversores e elucidar a escolha do mais adequado. As vantagens da abordagem desenvolvida são: análise de conversores para qualquer ponto de operação, independentemente de parâmetros de circuito; projeto normalizado do conversor; obtenção de curvas de ganho e estresse e realização de comparativo entre topologias. Os resultados podem ser usados como base teórica para o desenvolvimento de sistemas de alto desempenho, operando em frequências elevadas, que são uma tendência nas aplicações de eletrônica de potência.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents a study and analysis of photovoltaic systems subject to partial shading, where the main consequence is the reduction of its energy production. To mitigate this problem, it is proposed a new photovoltaic architecture known as hybrid architecture. In this architecture, the system is separated into arrays that can be partially or completely shaded with other arrays that are not shaded. The partially shaded modules are connected in parallel to maximize its energy production, while unshaded ones are connected in series. A dc-dc converter is used with the array with the modules subject to partial shading for maximum power extraction of this array, to match the operating voltage of both arrays, and to ensure that during its operation, the unshaded array operates in maximum power point. Additionally, it is presented the small signal modeling of the dc-dc converter through the generalized modeling technique, with the inclusion of the dynamic of a photovoltaic array through an equivalent approximate model by a voltage source with a series resistance, and linearized for different curve points of the photovoltaic module. The proposed control system for this converter uses a controller based on the internal model principle, as the resonant one, whose objective is, besides eliminating the low frequency ripple at the input of photovoltaic module to reduce the losses of the maximum power point tracking algorithm, also reduce the dc-bus capacitance in dual-stage photovoltaic inverters. Shaded photovoltaic systems present higher complexity to predict its energy production. This is because there are different configurations to connect photovoltaic modules among each other, which results in different values of generated power. Consequently, a general methodology of energy production forecast that uses only the shaded area of the modules as a factor of analysis can be imprecise. Based on this, a new methodology for energy production forecast in partially shaded photovoltaic systems is presented. The proposed method consists in identifying the shaded modules in each time, to quantify the hourly irradiation incident on all modules, analyze the electrical configuration of the array and, from that, calculate the produced energy. At the end are presented simulation and experimental results that validate the use of hybrid architecture in photovoltaic systems that present partial shading conditions. Este trabalho apresenta um estudo e análise de sistemas fotovoltaicos que apresentam redução da produção de energia devido ao sombreamento parcial em módulos fotovoltaicos. Para mitigar este problema, é proposta uma nova arquitetura de sistemas fotovoltaicos denominada arquitetura híbrida. Nessa arquitetura, o sistema é separado em um arranjo de módulos que podem ser parcialmente ou totalmente sombreados e outro com módulos não-sombreados. Os módulos do arranjo passíveis de sombreamento são conectados em paralelo entre si para se maximizar sua produção de energia, enquanto que os módulos não-sombreados são arranjados em série. Um conversor CC-CC é empregado junto ao arranjo dos módulos passíveis de sombreamento para extração da máxima potência desse arranjo, para compatibilizar a tensão de operação dos dois arranjos, e para garantir que durante a operação conjunta, o arranjo que nunca é sombreado opere no ponto de máxima potência. Adicionalmente, obtém-se a modelagem de pequenos sinais do conversor CC-CC através da modelagem generalizada, com a inclusão da dinâmica de um arranjo fotovoltaico através de um modelo equivalente aproximado por uma fonte de tensão em série com uma resistência, e linearizado para diversos pontos da curva do painel. Como proposta de sistema de controle desse conversor, utiliza-se um controlador baseado no princípio do modelo interno, como o ressonante, cujo objetivo é, além de eliminar a ondulação em baixa frequência presente na entrada dos painéis para reduzir as perdas do algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência, também possibilitar a redução da capacitância do barramento CC de inversores de duplo estágio. Sistemas fotovoltaicos sombreados apresentam maior complexidade para se prever a produção de energia. Isso ocorre pois existem diversas configurações para se conectar os módulos fotovoltaicos entre si, cujo impacto resulta em diferentes valores da energia gerada. Por consequência, uma metodologia generalizada de previsão da produção de energia que utilize apenas a área sombreada dos módulos como fator de análise pode ser pouco precisa. Com base nisso, uma nova metodologia para previsão da produção de energia em sistemas fotovoltaicos parcialmente sombreados é apresentada. O método proposto consiste em identificar os módulos sombreados em cada hora, quantificar a irradiação horária incidente em todos os módulos, analisar a configuração elétrica do arranjo e, a partir disso, calcular a energia produzida. Por fim são apresentados resultados de simulação e experimentais que validam a utilização da arquitetura híbrida em sistemas fotovoltaicos que apresentam condições de sombreamento parcial.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This master s thesis proposes a three-phase transformerless double-conversion UPS with digital control system and reduced overall cost. The topology is composed of an input stage, a battery bank, an inverter, an auxiliary circuit and transfer switches. The input stage assumes the three-phase rectifier function with LCL filter in normal operation mode and is responsible for discharge the battery bank in backup mode. This configuration reduces the system cost since an available circuit is used to discharge the battery bank. In conventional double-conversion UPS topologies the input stage remains inactive during the backup mode and an additional circuit is employed for this purpose. The auxiliary circuit is formed by an inductor and a switching leg and is used as a battery charger during normal operation mode and is additionally used to balance the bus capacitors voltages in backup mode. In this configuration, the auxiliary circuit can be designed for only a fraction of the UPS rated power, also providing lower total system cost. Transfer switches change the configuration of the input stage and the auxiliary circuit according to the UPS operating mode. The detailed operation of the topology, modelling, digital control structure, and the results obtained by simulation are showed. Finally a 20 kVA prototype is implemented and experimental results are acquired for the validation of the employed design methodology as well as the proposed circuit functionality. Esta dissertação de mestrado propõem uma topologia de fonte ininterrupta de energia (UPS - Uninterruptible Power Supplies) trifásica de dupla conversão sem transformador com custo reduzido e sistema de controle digital. A UPS proposta é composta por um estágio de entrada, um banco de baterias, um inversor, um circuito auxiliar e chaves de transferência. O estágio de entrada assume a função de retificador trifásico com filtro LCL em modo normal de operação da UPS e é responsável pela descarga do banco de baterias em modo bateria de operação. Esta configuração reduz o custo do sistema, pois permite que seja aproveitado um circuito disponível e dimensionado para a potência nominal da UPS para a descarga do banco de baterias. Em topologias convencionais de UPSs de dupla conversão o estágio de entrada permanece ocioso durante este modo de operação e um circuito adicional é empregado para este fim. O circuito auxiliar é formado por um indutor e um braço de interruptores e é utilizado como carregador de baterias em modo normal de operação e adicionalmente é utilizado para realizar o equilíbrio das tensões dos capacitores de barramento em modo bateria. Com esta configuração, o circuito auxiliar pode ser dimensionado para apenas uma fração da potência nominal da UPS, propiciando também a redução do custo total do sistema. As chaves de transferência alteram as configurações do estágio de entrada e do circuito auxiliar de acordo com o modo de operação da UPS. É apresentada a operação detalhada da topologia, a modelagem, a estrutura de controle digital utilizada e os resultados obtidos via simulação. Por fim, um protótipo de 20 kVA é implementado e resultados experimentais são adquiridos para a validação da metodologia de projeto empregada bem como da funcionalidade do circuito proposto.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work proposes the use of an auxiliary circuit to perform the voltage balancing and reduce the low frequency currents of the DC Bus center point of a three-phase transformerless UPS. The Bus voltage unbalance may occur due to the connection of unbalanced loads and non-idealities of the circuit and may impair the quality of the UPS output voltage. The low frequency current components occur due to the connection of non-linear or unbalanced loads. With the occurrence of these currents, there is an increase in the DC Bus voltage ripple, making it necessary to use a DC Bus with significant capacitance values. Moreover, these currents should increase the losses in the capacitor and deteriorate its lifespan. Thus, it is proposed the use of an auxiliary circuit comprising a switching branch and an inductor, whose function is to reduce the harmonic content from the currents flowing through the central point of the capacitive divider, in addition to ensuring the balancing of the DC Bus voltages. It is carried out the design of a three-phase transformerless UPS and the proposed auxiliary circuit, besides the design of its control systems. Simulation and experimental results demonstrate the procedures developed over this work and validate the functionality of the proposed circuit with respect to its purpose. Este trabalho propõe a utilização de um circuito auxiliar para realizar o equilíbrio de tensão e redução das correntes de baixa frequência do ponto central do barramento CC de uma UPS trifásica sem transformador. O desequilíbrio de tensão do barramento pode ocorrer devido a conexão de cargas desequilibradas e não-idealidades do circuito e podem prejudicar a qualidade da tensão de saída da UPS. Já as componentes de corrente em baixa frequência ocorrem devido à conexão de cargas não-lineares ou desequilibradas. Com a ocorrência dessas correntes, há um aumento na ondulação de tensão do barramento CC, tornando necessário a utilização de expressivos valores de capacitância. Além disso essas correntes devem aumentar as perdas nos capacitores e deteriorar sua vida útil. Dessa forma, propõe-se a utilização de um circuito auxiliar composto por um braço de interruptores e um indutor, cuja função é reduzir o conteúdo harmônico proveniente das correntes que circulam pelo ponto central do divisor capacitivo, além de assegurar o equilíbrio das tensões do barramento CC. É realizado o dimensionamento de uma UPS trifásica sem transformador e do circuito auxiliar proposto, bem como o projeto dos sistemas de controle dos mesmos. Resultados de simulação e experimentais comprovam os procedimentos desenvolvidos ao longo do trabalho, bem como validam a funcionalidade do circuito proposto com relação a sua finalidade.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul Electricity consumption in homes and workplaces has been growing steadily over the decades and attitudes to reduce these costs should be taken. An interesting solution is to provide to electricity users, and also to the energy company, detailed data of individual consumption of each electrical appliance. To accomplish this, researchers in the field have focused their efforts on non-intrusive methods of load identification, where a single energy meter is able to desagreggate the appliances by monitoring the total consumption of electricity of that location. Non-intrusive methods are easy to install and demand little maintenance, but require a robust method for identifying these loads. Therefore, the aim of this work is to investigate nonintrusive methods of recognition of electrical appliances to find the desaggregated consumption of these loads. Among these methods, there are the already widely used image recognition pattern methods, that now are been used also to detect electrical devices. In this paper, two of these techniques are discussed, the Principal Component Analisys, a classical method in the literature, and the Vector Projection Length, a completely new method and never used in the loads recognition field before. Current and voltage data were collected from 16 residential appliances, involving all types of loads (resistive, inductive, electronic and hybrid/other types). These data were used as training samples and test samples (unknown samples). A study is carried out using the current and also the power, independently, as load signatures. Also, a comparative analysis of the results of signatures in the time domain and time-frequency (Stowkwell transform) is conducted. As the main contributions to this work, we verified that the Vector Projection Length for load identification is quite feasible, with results up to 96% of tested appliances being identified. However, the results with Principal Component Analisys did not presented the same performance, reaching only 81% of accuracy rate. Comparing the signatures, it became clear that one should use the current in the time-frequency domain for better performance. Neither the use of power, or the time domain obtained satisfactory results of load identification when applying image pattern recognition techniques to load recognition. O consumo de eletricidade em residências e ambientes de trabalho vem crescendo continuamente ao longo das décadas e atitudes para reduzir estes gastos devem ser tomadas. Uma solução interessante é fornecer aos usuários de energia elétrica, e também à própria concessionária, dados detalhados de consumo individual de cada equipamento elétrico. Para alcançar este objetivo, pesquisadores na área tem focado seus esforços em métodos não-intrusivos de identificação das cargas (equipamentos elétricos), onde um único medidor de energia é capaz de desagregar os equipamentos através do monitoramento do consumo total de energia elétrica daquele local. Métodos não-intrusivos são de fácil instalação e de pouca manutenção, porém requerem um robusto método de identificação destas cargas. Portanto, o objetivo deste trabalho é investigar métodos não-intrusivos de reconhecimento de equipamentos elétricos para encontrar o consumo desagregado destas cargas. Dentre estes métodos, existem os já muito utilizados no reconhecimento de padrões em imagens, mas que agora tem sido também usados para detectar cargas elétricas. Neste trabalho duas destas técnicas são abordadas, a Principal Component Analisys, método clássico na literatura, e o Vector Projection Length, um método completamente novo e nunca usado no reconhecimento de cargas. Coletou-se dados de corrente e tensão de 16 equipamentos elétricos residenciais dos mais variados tipos, envolvendo todos os tipos de cargas existentes (resistivas, indutivas, eletrônicas e híbridas/outros tipos). Estes dados coletados foram utilizados como amostras de treinamento e amostras de teste (amostras desconhecidas). Como assinatura das cargas é realizado um estudo empregando corrente e também potência, de forma independente. Ainda, uma análise comparativa de resultados das assinaturas no domínio do tempo e do tempo-frequência (Transformada de Stowkwell) é conduzido. Como principais contribuições para este trabalho obteve-se que o uso do Vector Projection Length na identificação de equipamentos é bastante viável, com resultados de até 96% dos equipamentos testados sendo identificados. Já os resultados com o Principal Component Analisys ficaram abaixo de seu concorrente, atingindo 81% de taxa de acertos. Comparando as assinaturas, ficou claro que deve-se utilizar a corrente no domínio do tempo-frequência para uma melhor performance. Nem o uso da potência, nem o domínio do tempo obtiveram resultados satisfatórios de identificação quando empregados.

Título registrado conforme consta na autorização para liberação on-line e que está de acordo com o que consta registrado no histórico escolar. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS The management system and Future Renewable Electric Energy Delivery (FREEDM) is an example of microgrid distributed generation (GD), which has a power management. In the current DC bus the FREEDM are connected to the integrated modules (MIC), energy storers and others renewable energy sources. In order to increase system efficiency is proposed integrated module to charge batteries (MIBC). The MIBC is constituted by a high voltage gain converter with voltage battery charger feature. The load current of the batteries, to preserve their life, should be low ripple and approximately 10% of battery capacity. Therefore, the converter must have a second order filter in the output which requires a control of the output current. A converters integration methodology was studied, so finding the integrated Boost-Zeta converter. Thereafter, it was made a revision of auto-transformer that originated the 2Zeta converter. To complete the group of converters to be studied was included Isolated Zeta converter. Both converters have the characteristics ideas to MIBC. The Integrated Zeta-Boost converter has a high voltage gain due to the boost of the sum of the voltages of the output section with the output section Zeta. While 2Zeta converter has a high voltage gain due to auto-transformer that increases one in primary transformation ratio for the secondary. Finally, the Zeta Isolated converter also provides a high-gain voltage due to the transformation ratio of the coupled inductor. All converters have a second order filter which is desirable for the MIBC. Since the application is the MIBC was made a project of the parameters and unified control of converters. Since there are three converters based on the Zeta converter, a comparative analysis was necessary thereof, demonstrated the advantages and disadvantages of each. Finally, the prototypes reached the expected results, but the dispersant of inverters coupled inductor presented ripples in waveform of unwanted currents and voltages. O sistema de Gerenciamento e Entrega de Energia Elétrica Renovável do Futuro (FREEDM) é um exemplo de microrrede de geração distribuída (GD), onde se tem um gerenciamento de energia. No barramento de corrente continua do FREEDM são conectados modulos integrados (MIC), armazenadores de energia, outras fontes de energia renováveis. Com o objetivo de aumentar a eficiência do sistema é proposto o modulo integrado para carregar baterias (MIBC). O MIBC é constituído por um conversor de alto ganho de tensão com característica de carregador de bateria. As características de carga das baterias, para preservar a sua vida útil, devem ser baixa ondulação na corrente de carga sendo ela aproximadamente 10% da capacidade da bateria. Portanto o conversor aplicado como MIBC deve possuir um filtro de segunda ordem na saída o que implica em um controle da corrente de saída. Uma metodologia de integração de conversores foi estudada, encontrando assim o conversor Boost-Zeta integrado. Posteriormente, foi feito uma revisão de auto-transformador que originou o conversor 2Zeta. Para completar o grupo de conversores a ser estudado foi incluído o conversor Zeta Isolado. Ambos os conversores apresentam as características ideias para MIBC. Em que o conversor Boost-Zeta apresenta um alto ganho de tensão devido à soma das tensões da seção de saída do Boost com a seção de saída do Zeta. Enquanto que o conversor 2Zeta apresenta um alto ganho de tensão devido a ligação feita do auto-transformador que aumenta um na relação de transformação do primário para o secundário. Por fim, o conversor Zeta Isolado também apresenta um alto ganho que tensão devido a relação de transformação do indutor acoplado. Todos os conversores apresentam um filtro de segunda ordem o que é desejável para o MIBC. Sendo que a aplicação é o MIBC, foi feito um projeto dos parâmetros e controle unificado dos conversores. Visto que são três conversores baseado no conversor Zeta, fez-se necessário uma analise comparativa dos mesmos, demonstrado as vantagens e desvantagens de cada um. Por fim, os protótipos atingiram os resultados esperados, contudo a dispersante do indutor acoplado dos conversores apresentou ondulações nas formas de ondas das correntes e tensões não desejadas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Master s Dissertation is proposes the development of a charge management system of a bank of 16 lead-acid batteries with 7Ah load capacity, commonly used in Uninterruptible Power Supplies (UPS). This system aims to ensure that these batteries reach a full charge status faster than the conventional way. To this, it was chosen to make the modification of the pulsed current charging method, in order to reduce problems, such as elevation of bus voltage to return the energy to it, or dissipation of that energy in a resistance, resulting in lower system efficiency, inherent in the method taken as a basis when the battery power withdrawal interval occurs. For the development of the suggested charging system the static converter Full-Bridge Isolated with modulation Phase Shift was chosen. To implement the digital control as well as its practical development in the same laboratory the simplified modeling of this converter was made. The results of simulation and experimental to validate the method are presented. Esta dissertação de mestrado tem como proposta o desenvolvimento de um sistema de gerenciamento de carga de um banco de 16 baterias de chumbo ácido, com capacidade de carga de 7Ah, comumente utilizado em Fontes Ininterruptas de Energia (UPS). Este sistema visa garantir que estas baterias cheguem a um estado de carga completo e de forma mais rápida que a convencional. Para isto, foi escolhido fazer a modificação do método de carga de corrente pulsada, com o objetivo de reduzir problemas inerentes do método tomado como base, quando ocorre o intervalo de retirada de energia da bateria, tais como: elevação da tensão do barramento ao retornar a energia para ele, ou, dissipar esta energia em uma resistência, o que acarreta em baixa eficiência do sistema. Para o desenvolvimento do sistema de carga sugerido foi escolhido o conversor estático Full-Bridge Isolado com modulação Phase Shift. Foi feita a modelagem simplificada deste conversor, para a implementação do controle digital, assim como o desenvolvimento prático do mesmo em laboratório. São apresentados os resultados de simulação e experimentais para validar o método.

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.

Esta pesquisa apresenta um estudo comparativo de inversores monofásicos conectados à rede (sem transformador de acoplamento), empregando geradores fotovoltaicos. Inicialmente é destacada a crescente demanda mundial por energia elétrica e o crescimento da utilização de geração através de fontes renováveis, impulsionando o desenvolvimento dessas tecnologias. Também é apresentado um resumo sobre a geração de energia elétrica fotovoltaica descentralizada, incluindo os principais tipos de sistemas e a sua conexão à rede de distribuição da concessionária. Em busca da redução do custo da energia elétrica produzida com geradores fotovoltaicos, a eliminação do transformador de baixa frequência que conecta o inversor à rede, foi apresentada como uma alternativa interessante. Porém associada à conexão direta do inversor podem surgir correntes de fuga devido à existência de capacitâncias parasitas entre as células fotovoltaicas do painel e o potencial de terra do sistema gerador-rede. Para evitar esses problemas várias modificações no circuito eletrônico dos inversores têm sido propostas visando eliminar variações na tensão de modo comum destes. Esse trabalho busca avaliar algumas destas topologias visando definir parâmetros de desempenho que possam servir como base para a escolha de uma topologia em detrimento as demais para um conjunto de especificações tais como a potência instalada do gerador ou a amplitude da tensão da rede, dentre outros. This research presents a comparative study of single-phase transformerless grid connected inverters, employing photovoltaic generators. Initially is highlighted the increasing worldwide demand for electricity and the growth of the use of renewable sources, driving the development of these technologies. It is also presented an overview of the photovoltaic decentralized power generation, including the major types of systems and their connection to the utility grid. In order to reduce the electricity cost of photovoltaic generation, the elimination of low frequency transformer that connects the inverter to the grid, was presented as an interesting alternative. But associated with the direct inverter connection, leakage currents may arise due to the existence of parasitic capacitances between the panel photovoltaic cell and the system ground. To avoid these problems, several modifications in the electronic circuit of the inverter have been proposed to eliminate variations in the inverter common mode voltage. This research evaluates some of these topologies in order to define performance parameters that can serve as the basis for choosing a topology over the other for a set of specifications such as the installed power or the amplitude of grid voltage, among others.

A crescente demanda energética mundial é um dos principais problemas a ser enfrentado pela sociedade, uma vez que, a produção de energia elétrica na atualidade tem sua base em combustíveis fósseis, os quais possuem reservas não perenes e seus efeitos maléficos ao meio ambiente tem causado um impacto muito grande na natureza. Estes fatores têm incentivado a busca por alternativas para produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, principalmente em unidades de Geração Distribuída. A energia solar fotovoltaica se destaca neste contexto principalmente por sua flexibilidade quanto à potência e o ponto de conexão dos geradores, indo ao encontro do conceito de Geração Distribuída. Visando a expansão do emprego de geradores fotovoltaicos a redução do custo da energia gerada é fundamental, para tanto se deve conceber conversores eletrônicos capazes de adequar a energia CC produzida pelos geradores para que esta seja diretamente injetada na rede elétrica CA. No caso de geradores com um único módulo fotovoltaico, tem-se a oportunidade de extrair a máxima potência gerada pelo mesmo evitando-se problemas de sombreamento e dissimilaridades entre módulos, todavia o emprego de conversores eletrônicos com alto ganho de tensão com a maior eficiência possível é imprescindível. Nesta dissertação é proposta uma nova metodologia de integração de conversores estáticos, permitindo que novos conversores estáticos não isolados com alto ganho de tensão sejam derivados. Esta metodologia baseia-se no emprego de indutores acoplados que são compartilhados pelos conversores integrados e cujas seções e terminais são associados de modo que a topologia resultante possua um ganho de tensão que corresponde a soma dos ganhos individuais de cada conversor. Como exemplo e estudo de caso é analisada a integração dos conversores boost e flyback. São apresentados os modos de operação e as principais características dos conversores boost-flyback derivados neste trabalho, bem como uma metodologia de projeto para os circuitos e resultados experimentais. Os protótipos avaliados em laboratório mostram que os conversores boost-flyback derivados operando com ganho estático de dez vezes podem obter eficiência superior a 90% quando aplicados em um painel fotovoltaico de 200W. World increasing demand for energy is one of the most challenging problems to be faced by societies in the near future. And it is getting worst because the fossil fuels retain the majority of the world energy share. Besides the risk of outage caused by the depletion of fossil fuel sources, their side effects on the environment have causing a huge impact on the environment. These issues have motivating the search for renewable sources of energy, mainly in distributed generation units. In the renewable resources scenario, the photovoltaic energy has a major role due to its advantages, such as its power flexibility and easy on site placement of generators, which is very favorable for Distributed Generators Systems. Aiming to ensure the worldwide applications of PV systems, it is required to lower the PV energy cost per watt, which can be achieved with more efficient power processing systems that are used to convert the DC power produced by the PV modules in AC power to be injected to the grid. In systems with a power converter per PV module the best performance of the module is achieved in terms of energy efficiency, avoiding shadowing and aging dissimilarity problems that may plague PV generators with a large amount of PV modules. However, to achieve such benefits, power converters with high efficiency and large conversion range are required. In this dissertation it is proposed a novel methodology to synthesize integrated non-isolated DC/DC power converters with wide conversion range. This methodology is based on the use of coupled inductors to integrate the input sections of two power converters, meanwhile their output sections are associated in either, series, parallel or cascade configuration, yielding in a conversion ratio that is the sum of the individual integrated converters. As a case study, the integrated boost-flyback topologies are analyzed. Their modes of operation, chief characteristics as well as design rules are discussed. The analyses are validated by means of experimental results obtained from three laboratory prototypes. The prototypes operate with conversion ratio greater than ten times and the efficiency achiever is higher than 90% when designed for a 200W PV module.

CAPES Este trabalho apresenta um estudo comparativo de perdas em semicondutores empregados em diferentes técnicas de comutação suave aplicadas a inversores alimentados em tensão para aplicações industriais. As técnicas a serem avaliadas são as de transição sob corrente e tensão nulas simultaneamente, conhecida como ZCZVT (Zero-Current and Zero-Voltage Transition). Para que possa ser realizada uma comparação de forma justa, é proposta uma metodologia de projeto do circuito auxiliar para os inversores ZCZVT com circuito auxiliar ressonante e ZCZVT com circuito auxiliar não ressonante, de tal forma que todos os Transistores Bipolares de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs) assistidos por estes circuitos de auxílio à comutação tenham condições de comutação semelhantes, i.e., comutem sob taxas de variação de tensão e corrente semelhantes. Para tanto, esta metodologia baseia-se nas restrições dinâmicas apresentadas pelos IGBTs em condições de comutação sob corrente e tensão nulas. A partir desta metodologia, tendo sido asseguradas as condições ideais de comutação para todos os IGBTs da ponte monofásica, desenvolveu-se um estudo comparativo dos esforços, perdas e limitações de cada um dos circuitos auxiliares (ressonante e não ressonante). As simulações dos inversores com a tecnologia de transistores IGBTs disponíveis no mercado serviu de base para a montagem de protótipos. Os protótipos são implementados através de um circuito de teste onde a estratégia de chaveamento dos dispositivos semicondutores é elaborada por meio de dispositivos lógicos programáveis de FPGA. Após a aquisição de dados experimentais, os mesmos são comparados com as simulações realizadas a fim de se determinar os reais benefícios e limitações de um inversor em relação ao outro. This work presents a comparative study of semiconductor losses applied to Voltage Source Inverter - VSI for industrial drives applications with different soft-switching techniques. The evaluated techniques are Zero Current Zero Voltage Transition Inverters, known as ZCZVT. In order to make a fair comparison of them, it is proposed a unified design methodology for the auxiliary circuit of both ZCZVT inverters, with on-resonant auxiliary circuit, in such a way that all the IGBTs transistors assisted by theses auxiliary circuits have similar switching conditions, i.e., similar dv/dt and di/dt during transitions between the switches on and off states. Therefore, this methodology is based on the main physical constrains showed by IGBTs operating under switching conditions. By means of this methodology, the ideal conditions of switching for all IGBTs of the single phase bridge have being assured. Additionally, it was developed a comparative study of the stresses, losses and limitations of each one of the auxiliary circuits (resonant and non-resonant). The simulations of the inverters with some important IGBT technologies available on the market served as the basis to assembly the laboratory prototypes. The prototypes are implemented by a circuit under test with the switching strategy is developed using Field Programmable Gate Array - FPGA. After the experimental data acquisition, the results are compared with the simulations carried out in order to determine actual benefits and limitations of each inverter.

Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a influência da temperatura de junção nas perdas de potência de um módulo IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitorando a temperatura através de medida direta, empregando sensores a fibra ótica. O monitoramento direto da temperatura é realizado por meio de sensores óticos baseados em rede de Bragg instalados no interior do módulo, posicionados sobre a pastilha semicondutora que forma o IGBT. Para que as análises experimentais possam ser realizadas sob condições de temperatura controlada, foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura digital com base em um módulo termoelétrico de efeito Peltier, que permite regular a temperatura com um erro percentual de 0,1%, numa faixa de valores que podem variar de -16 °C a 150 °C. O acionamento do módulo IGBT é realizado através de um circuito de teste capaz de variar os parâmetros elétricos do dispositivo, como largura do pulso, tensão e corrente de carga. As formas de onda que descrevem o comportamento do IGBT são obtidas por meio de um osciloscópio digital, o que proporciona a verificação do desempenho do dispositivo durante os processos de comutação e condução de corrente elétrica. O acionamento do IGBT sob temperaturas controladas permite verificar as faixas de temperatura que apresentam influência significativa nas perdas do dispositivo. O emprego do sensor ótico proporciona identificar o aquecimento gerado na junção do dispositivo em função das perdas. A medição da temperatura de forma direta também contribui para o desenvolvimento de uma técnica simples e de boa precisão para obtenção dos parâmetros térmicos da estrutura do IGBT. Os parâmetros obtidos serviram de base para elaboração de um modelo térmico preciso, que permite simular fielmente o comportamento térmico do dispositivo, onde o erro percentual máximo é de aproximadamente 0,3%. A utilização do modelo facilita a análise de pequenas variações de temperatura, inferiores à 0,01 °C, onde a medição através do sensor torna-se complicada. A associação dos resultados da análise de influência da temperatura no desempenho do IGBT, com o monitoramento e simulação do aquecimento gerado durante a operação do dispositivo pode contribuir, de fato, para o desenvolvimento semicondutores de potência mais eficientes. This study aims to evaluate the temperature influence on power losses of an IGBT module (Insulated Gate Bipolar Transistor), monitoring the temperature through direct measurement, using optical sensors. The direct monitoring of temperature is accomplished by means of optical sensors based on fiber Bragg grating installed inside the module, positioned on the semiconductor wafer, which forms the IGBT structure. For the experimental analysis to be performed under controlled temperature conditions, a digital temperature control system based on a Peltier effect thermoelectric module was developed, which can regulate the temperature in a range between -16 °C to 150 °C, with an percentage error of 0.1%. The drive of the IGBT module is done by a test circuit that can vary the device electrical parameters, such as pulse width, voltage and load current. A digital oscilloscope, providing verification of device performance during the switching and conduction of electrical current, obtains the waveforms that describe the IGBT behavior. The drive of the IGBT under controlled temperature allows checking the temperature ranges that have significant influence on the device power losses. The use of optical sensor provided to identify the heat generated on the device junction due to the power losses. The direct measurement of junction temperature also contributed to the development of a simple technique with great precision to obtain the thermal parameters of the IGBT structure. The parameters obtained were the basis for developing a precise thermal model that faithfully simulates the device thermal behavior, where the maximum percentage error is 0.3%, approximately. The model facilitates the analysis of small variations in temperature, lower than 0.01 °C, where measurement by the sensor becomes more complicated. The association of the temperature influence analysis on the IGBT performance with monitoring and simulation of generated heat on the structure during device operation, can contribute to the research on design of novel power semiconductor devices.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Master Thesis presents the study and proposes a digital control system applied to the PFC boost converter operating in mixed conduction mode. The motivation to this subject, a bibliographic review of the existing current control techniques and the objectives of this work are presented in the first chapter. The control system is composed of a current loop, which has the objectives to provide low harmonic content to the input current and high power factor to the converter, and a voltage loop, which has the goal to regulate the output voltage of the converter. Initially, the study of the conduction modes of the PFC boost converter, highlighting their operation conditions, and details of the mixed conduction mode operation are showed. Next, two predictive digital current controllers with feedforward action are approached in details, including the equations deduction, block diagram, operation process, design, simulation results and parametric variation analysis. A comparative analysis between both controllers is also accomplished. The proportional-integral voltage controller is presented following, comprising its structure, design and simulation results. After, issues related to the practical implementation of the converter and control system, as the converter design and the control device programming, are shown. Finally, the experimental results obtained through the implementation of the proposed system, including the waveforms acquired using a prototype constructed in laboratory and the quality indexes as the power factor and the total harmonic distortion, are presented with the purpose to validate and prove the content of this work. Esta Dissertação de Mestrado apresenta o estudo e propõe um sistema de controle digital para o conversor boost PFC operando no modo de condução mista. A motivação para este assunto, uma revisão bibliográfica das técnicas de controle de corrente existentes e os objetivos do trabalho são apresentados no capítulo introdutório. O sistema de controle é composto de uma malha de corrente, que tem por objetivo proporcionar baixo conteúdo harmônico para a corrente de entrada e alto fator de potência para o conversor, e uma malha de tensão, que tem por objetivo regular a tensão de saída do conversor. Inicialmente, o estudo dos modos de condução do conversor boost PFC, destacando as suas condições de operação, e detalhes da operação no modo de condução mista são mostrados. Em seguida, dois controladores digitais preditivos de corrente com ação feedforward são abordados em detalhes, incluindo o equacionamento, diagrama de blocos, funcionamento, projeto, resultados de simulação e análise da variação paramétrica. Uma análise comparativa entre ambos também é realizada. O controlador proporcional-integral de tensão é abordado na seqüência, compreendendo sua estrutura, projeto e resultados de simulação. Posteriormente, questões relativas à implementação prática do conversor e do sistema de controle, como o projeto do conversor e a programação do dispositivo de controle, são mostradas. Por fim, os resultados experimentais obtidos com a implementação do sistema proposto, incluindo as formas de onda adquiridas em um protótipo construído em laboratório e os índices de qualidade como o fator de potência e a distorção harmônica total, são apresentados com o intuito de validar e comprovar o conteúdo deste trabalho.

This work presents a study and a comparative analysis of high power single-phase converter applied to power factor correctioii in according to the international standards IEC 61000-3-4 (harmonics limitation) and CISPR 22 (electromagnetic interference limitation) for high power applications. The converters studied were the conventional boost converter, the interleaved boost converter, with two cell operating with a delay angle of 180" between each other, and the dual boost converter. Such converters are used in front-end modules of information technology equipment. AI1 converters have the same input and output voltage and the same input current. The converters were projected to provide the same total input harmonic distortion (THD), with the idea of using the same input filter. Implementation of the control laws was performed through a digital control with the use of a 16 bits microcontroller. A11 converters were, first of all, studied and presented in this dissertation. The analyzed parameters for comparison were: power factor, total harmonic distortion (THD), semiconductor losses and magnetic losses, heat-sinks volume and magnetics volume, conducted electromagnetic interference, performance and costs. Esse trabalho apresenta um estudo e uma análise comparativa de conversores monofásicos aplicados i correção de fator de potência que estejam de acordo com as normas internacionais IEC 61000-3-4 (limitação de harmônicos) e CISPR 22 (limitação dos níveis de interferência eletromagnética) para aplicações de alta potência. Os conversores estudados foram os conversores Boost, o conversor Boost Intercalado, com duas células operando com uma defasagem de 180" entre si, e o conversor Dual Boost. Tais conversores são utilizados como estágio de entrada em fontes de equipamentos da tecnologia da informação. Todos os conversores apresentam a mesma tensão de entrada e saída, e a mesma corrente de entrada. Os conversores foram projetados para apresentarem a mesma taxa de distorção harmônica da corrente de entrada (THD) para que, dessa forma, todos tenham o mesmo filtro de entrada. A implementação das leis de controle foi realizada através de um controlador digital com o uso de um microcontrolador de 16 bits. Todos os conversores foram primeiramente estudados e são apresentados nesta dissertação. Os parâmetros analisados para a comparação das topologias foram: fator de potência, taxa de distorção harmônica, perdas nos dispositivos semicondutores e magnéticos, volume dos dissipadores e materiais magnéticos, interferência eletromagnética conduzida, eficiência e custos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work investigates the influence of operation point (Δi @ fs) in the final volume of PFC boost converter. The boost inductor, EMI filter and thermal heatsink are the elements which main influences in the converter volume. These elements are strongly influenced by the chosen operation point, showing a direct relationship among them. With the increase of switch frequency and of the input current ripple occurs reduction of the boost inductor volume. On the other hand, it increases the switching losses in semiconductors, and influence on the EMI filter volume. It should be highlight that the optimum designs of individual devices or parameters of a system could not take the optimization of the overall system. In this form it is strongly recommended that the engineers and designers take into account the overall system, as well available technologies, standard and recommendation, and finally market commitments. The methodology presented realize the converter design in a integrate form, selecting the operation point that the converter finds the minimal total volume, starting from input variable output power, input and output voltage. The design takes into account different semiconductors technologies, different input filter topologies, different heart sinks profile, different magnetic cores technologies further of international standards that the converter must be adapt. Based on an integrate design of converter parameters is possible optimize the design finding the operation point for the minimal volume. Esse trabalho investiga o impacto do ponto de operação (Δi @ fs) no volume final do conversor boost operando como pré regulador com correção do fator de potência (PFC). Os elementos de maior influência no volume do conversor são o indutor boost, o filtro de entrada e os dissipadores térmicos. O volume destes elementos é diretamente influenciado pelo ponto de operação, mostrando uma relação direta entre eles. Com o aumento da freqüência de comutação e da ondulação da corrente de entrada ocorre a diminuição do indutor boost, porém, aumentam as perdas nas comutações dos semicondutores e aumenta o volume do filtro de entrada. Com a diminuição da freqüência e da ondulação da corrente ocorre o inverso, sabendo disto, fica claro que projetar individualmente cada um destes três elementos pode resultar em um bom projeto individual, contudo penaliza os outros parâmetros. Assim, a metodologia apresentada realiza o projeto do conversor de forma integrada, escolhendo o ponto de operação em que o conversor encontre o volume final mínimo, partindo de algumas variáveis de entrada, como potência de saída e tensões de entrada e saída. O projeto leva em consideração diferentes tecnologias de semicondutores, topologias de filtros de entrada, perfis de dissipadores térmicos, tecnologias de núcleos magnéticos além das normas internacionais a que o conversor deve se adequar. Baseado no projeto integrado dos parâmetros do conversor é possível otimizar o projeto encontrando o ponto de operação para o volume total mínimo do conversor.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents the development of a methodology for design of inductor in singlephase PFC boost converters operating in CCM mode in agreement with international standards IEC 61000-3-2 and CISPR 22. Such converters are used in front-end modules of information technology equipment. This methodology is based on the investigation of the relationship among magnetic volume; switching frequency and input current ripple of the converter, presented in previous work and extended to allow the optimization of inductors with three magnetic materials: Kool Mμ, Molypermalloy and High-Flux. An analysis of some constructive characteristics of the inductors is performed, such as, magnetic materials and most appropriate type of winding, taking into account factors that can determine the lowest volume of the inductor, such as winding and magnetic losses, the flux density, and conducted electromagnetic interference (EMI). In construction of the inductors, it is discussed the use of single-layer winding, presenting their main haracteristics, advantages when seeking the reduction of conducted EMI, and considering the disadvantage of increasing of volume that this type winding may cause. An algorithm for this methodology is developed, that uses models able to estimate the differential mode conducted EMI for frequencies up to 30 MHz, as well the temperature rise of boost inductor by simulating the input current of the converter, considering soft saturation characteristics of magnetic materials and the use of commercial cores. Additionally, it is performed an experimental validation of the developed algorithm by construction of prototypes that uses three selected materials and operate at three different points of operation. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de projeto do indutor em conversores boost PFC CCM monofásicos de acordo com as normas internacionais IEC 61000-3-2 e CISPR 22. Tais conversores são utilizados como estágio de entrada em fontes de equipamentos da tecnologia da informação. A metodologia é baseada na investigação da dependência existente entre o volume dos elementos magnéticos com a freqüência de comutação e a ondulação da corrente de entrada nestes conversores. O trabalho dá continuidade a trabalhos anteriores, ampliando a análise para a otimização de indutores de três materiais magnéticos: Kool Mμ, Molypermalloy e High-Flux. É realizada uma análise de algumas características construtivas destes indutores, entre elas, os materiais magnéticos mais apropriados e o tipo de enrolamento utilizado levando-se em consideração fatores que permitem a redução do volume do indutor, como as perdas magnéticas e nos enrolamentos, a densidade de fluxo magnético e a interferência eletromagnética (EMI) conduzida. Na implementação dos indutores, é discutida a utilização de enrolamentos de única camada, apresentando suas principais características, as vantagens de sua utilização quando se busca a redução da EMI conduzida, e considerando-se a desvantagem do aumento de volume do indutor que este tipo de enrolamento pode causar. Um algoritmo é desenvolvido para esta metodologia, no qual são utilizados modelos capazes de estimar a EMI conduzida DM para freqüências de até 30 MHz, assim como a elevação da temperatura do indutor, por meio de uma simulação da corrente de entrada do conversor que considera os efeitos da saturação suave dos materiais magnéticos e a utilização de núcleos com dimensões comerciais. É também realizada a validação experimental deste algoritmo, por meio da construção de protótipos que utilizam indutores dos três materiais escolhidos e operam em três pontos de operação distintos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents and analyzes a new family of electronic ballasts to supply metal halide lamps applied to interior lighting systems. These lamps present the best light quality among the high intensity discharge lamps, and its compactness results a good choice for interior lighting systems application. The electrical characteristics of the high intensity discharge lamps are evaluated, and it is presented an alternative for supplying these lamps in a safe and reliable way. This alternative consists of using high frequency DC/DC converters in order to supply the lamp with a low frequency, symmetrical square waveform. A family of electronic ballasts is presented, which all the topologies are obtained from the differential connection of DC/DC converters. The analysis of these proposed and designed systems brings the main advantages and disadvantages of using each topology, related both to the components design and to the restrictions implied by each topology. Esse trabalho apresenta e analisa uma nova família de reatores eletrônicos capazes de acionar lâmpadas de multivapor metálico com tubo de descarga cerâmico. Essas lâmpadas apresentam, dentre as lâmpadas de descarga em alta pressão, a melhor qualidade do fluxo luminoso, além de se tratar de lâmpadas compactas, caracterizando-as como uma ótima alternativa a ser aplicada em sistemas de iluminação de ambientes interiores. As características das lâmpadas de descarga em alta pressão, com relação ao acionamento e controle, são avaliadas, e uma alternativa é apresentada para se alimentar tais lâmpadas de forma segura e confiável, através da utilização de conversores CC/CC operando em alta freqüência para alimentar a lâmpada com uma tensão quadrada, simétrica e em baixa freqüência. Dessa forma, uma família de reatores eletrônicos é apresentada, sendo que todas as topologias são derivadas da técnica de conexão diferencial de conversores CC/CC bidirecionais. O estudo de todos os sistemas propostos e implementados tem por finalidade caracterizar as principais vantagens e desvantagens do emprego de cada topologia apresentada, com relação ao dimensionamento de componentes e limitações impostas por cada topologia.