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Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. O trabalho apresenta o estudo de uma família de reatores eletrônicos com elevado fator de potência, sendo que o estágio de correção do fator de potência é integrado ao conversor CC-CA. No decorrer dos capítulos, empregando o conceito "charge pump", reatores VS-CPPFC ("Voltage Source - Charge Pump Power Factor Correction") e CS-CPPFC (Current Source - Charge Pump Power Factor Correction) são analisados e aplicados na alimentação das lâmpadas fluorescentes e das lâmpadas vapor de sódio de alta pressão. Através da redução do número de componentes e da redução física dos elementos eletromagnéticos, obtém a otimização de cada estrutura proposta. No entanto, o principal objetivo do trabalho é o cumprimento das normas técnicas que regulamentam estes sistemas. Em cada capítulo é escolhida uma topologia que, através da sua análise matemática, se determina uma metodologia de projeto para a definição dos parâmetros que constituem o reator. Resultados experimentais dos protótipos aplicando o comando com freqüência fixa e o comando auto-oscilante são obtidos, analisados e discutidos para validação das metodologias aplicadas.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Observando o constante crescimento das fontes energéticas limpas, viu-se a oportunidade de desenvolvimento na matriz fotovoltaica. O objetivo do trabalho foi elaborar um controlador digital, para o seguidor solar horizontal, que apresentasse: controle de movimentação, sistema de segurança contra ventos fortes e limpeza automatizada. A dissertação teve sua origem em uma proposta apresentada por uma empresa da região de Bragança e aborda a criação do produto. Foram analisados diversos estudos e sistemas atuais, buscando caracterizar o produto a ser desenvolvido, no decorrer da dissertação é explicado cada característica e o porquê da mesma ser escolhida. Foi elaborado, baseado na modelagem matemático, um método de monitoramento do índice de sujeira sobre os painéis fotovoltaicos. O controlador ainda apresenta limpeza automatizada feita por aspersão de água em um ciclo fechado; rastreamento solar por sensor virtual e movimento utilizando pistão eletrônico. Entretanto não foi possível aplicar o sistema em uma escala real devido às particularidades da própria empresa. Foi possível verificar o funcionamento do sistema a partir de testes por softwares e de simuladores, obtendo como resultado um aumento na geração fotovoltaica de 22.04% em relação ao sistema fixo, ao realizar o teste no sistema de monitoramento de sujidade foi obtido um resultado de erro relativo igual a 2,04%. Com os resultados obtidos foi possível estimar uma alta confiabilidade do sistema, assim como robustez e aplicabilidade, demonstrando que o produto elaborado está apto ao mercado atual de seguidores solares além de ter vantagem sobre os demais modelos por possuir monitoramento da sujidade automático. Observing the constant growth of clean energy sources, the opportunity for development in the photovoltaic matrix was seen. The objective of the work was to elaborate a digital controller, for the horizontal solar tracker, that presented: movement control, security system against strong winds and automated cleaning. The dissertation had its origin in a proposal presented by a company from the region of Bragança and addresses the creation of a product. Foi analisado diversos estudos e sistemas atuais, seeking to characterize the product to be develope, in the course of the dissertation, each characteristic is explained and why it was chosen. Based on mathematical modeling, a method for monitoring the dirt index on photovoltaic panels was developed. The controller also features automated cleaning done by spraying water in a closed cycle; solar tracking by virtual sensor and movement using electronic piston. However, it was not possible to apply the system on a real scale for reasons of the company itself. It was possible to verify the functioning of the system from tests by software and simulators, obtaining as a result an increase in photovoltaic generation of 22.04% in relation to the fixed system, when performing tests on the dirt monitoring system, results were obtained from relative error equal to 2.04%. With the results it was possible to estimate great reliability of the system, robustness and applicability, demonstrating that the elaborated product is apt for the current market of solar trackers besides having advantage over the other models for having automatic dirt monitoring. Keywords: renewable energy; photovoltaic generation; horizontal solar tracker; virtual sensor; soiling monitoring.

Este trabalho propõe sistemas eletrônicos de estágio único não isolado para a alimentação de LEDs de potência usando os conceitos charge-pump e bridgeless. Estas topologias apresentam características de funcionamento similares ao conversor boost dobrado, mesmo o conversor operando de forma dobradora, a tensão de barramento é abaixo da tensão dobradora. Ambos os conceitos estão relacionados à configuração topológica baseada na integração de um conversor sem ponte retificadora no estágio de entrada com um inversor half-bridge na saída, caracterizando um sistema de estágio único. A configuração charge-pump é usada para reduzir a ondulação de corrente dos LEDs. O princípio de funcionamento dos conversores propostos, que em regime permanente inclui dois modos de operação, serão apresentados e analisados. Uma metodologia de projeto, bem como resultados de simulação também serão apresentados para que se possa verificar as características operacionais do sistema. Neste trabalho será utilizada uma frequência de comutação de 75 kHz. A tensão de alimentação é de 127 V e a carga é composta por 6 LEDs conectados em série com tensão de saída de 60 V e potência total de 60 W. This work proposes single, non-isolated electronic systems for supplying power LEDs using the charge-pump and bridgeless concepts. These topologies have operating characteristics similar to the double boost converter, even though the converter operates in a doubling manner, the bus voltage is below the doubling voltage. Both concepts are related to the topological configuration based on the integration of a converter without rectifier bridge in the input stage with a halfbridge inverter at the output, featuring a single stage system. The charge-pump setting is used to reduce the current ripple of the LEDs. The principle of operation of the proposed converters, which in a permanent regime includes two modes of operation, will be presented and analyzed. A design methodology, as well as simulation results will also be presented in order to verify the operational characteristics of the system. In this work, a switching frequency of 75 kHz will be used. The supply voltage is 127 V and the load consists of 6 LEDs connected in series with an output voltage of 60 V and a total power of 60 W.

Este trabalho apresenta um conversor de único estágio com elevado fator de potência com características de fonte de corrente baseado nos circuitos com topologias Boost PFC e Charge-Pump. O estágio de entrada é composto por um retificador de onda completa, um transformador e capacitores Charge-Pump. A sua integração com o barramento CC é realizada por um estágio de saída, o qual consiste em um retificador onda completa, associado a um filtro capacitivo e a um indutor série ressonante para acionar uma carga de LEDs de potência. Os capacitores Charge-Pump operam para limitar a tensão do barramento CC e reduzir o fator de crista da corrente no indutor de saída, contribuindo para a redução de oscilação na carga. A corrente da indutância magnetizante do transformador tem influência significativa no circuito, não necessitando utilizar filtro indutivo em série com a fonte de alimentação de entrada para eliminar possíveis harmônicos de alta frequência, contribuindo para a redução do número de magnéticos e, consequentemente, para a redução do volume e peso do sistema. O conversor proposto demonstra alto rendimento e fator de potência, e com uma taxa de distorção harmônica total da corrente da fonte de alimentação de entrada (THDi) e oscilação satisfazendo a IEC 61000-3-2 Classe C e a IEEE Std 1789-2015, respectivamente. São apresentadas em detalhes as etapas de operação assim como o modelo matemático completo em regime permanente, possibilitando o projeto e a implementação do conversor. Neste trabalho, é construído um protótipo operando com faixa de tensão de entrada universal (100 a 270 V), frequência de comutação na faixa de 40 a 200 kHz, dimerização em 127 V e 220 V e uma potência de saída nominal de 43 W para evidenciar a viabilidade da metodologia e projeto do sistema de iluminação proposto. This work presents a high power factor single-stage converter with current source characteristics based on circuits with Boost PFC and Charge-Pump topologies. The input stage consists of a full-wave rectifier, a coupled inductor and Charge-Pump capacitors. Its integration with DC-link is accomplished by an output stage that consists of a full wave rectifier associated with a capacitive filter and a resonant series inductor to drive a power LED array. The charge-pump capacitors operate in order to limit the DC-link voltage and to reduce the inductor output current crest factor, contributing to flicker reduction. The transformer magnetizing inductance current has a significant influence on the circuit, and the or employment of an inductive filter in series with the input power supply to eliminate possible high frequency harmonics can be avoided, thus both magnetic elements count and system volume and weight can be reduced. The proposed converter demonstrates high efficiency power fator (PF), and with a total harmonic distortion of the input power supply current (THDi) and flicker satisfying the IEC 61000-3-2 Class C and IEEE Std 1789-2015, respectively. The operation stages as well as the complete mathematical model in steady state are presented in detail, enabling the design and implementation of the converter. Finally, in order to carry out input universal voltage (100 - 270 Vrms) and dimminig of the output power rated (100 - 10%) at 127 and 220 V-rms, a prototype is built. In this work, the proposed converter operates at 43 W employing a switching frequency rage of 40 - 200 kHz.

Neste trabalho, é apresentado o estudo do conversor Boost três níveis bidirecional e unidirecional para aplicação em microrredes de distribuição em corrente contínua bipolares. Adota-se uma estratégia de modulação assimétrica que permite que o circuito redistribua potência entre os barramentos da rede, de forma a contribuir para o seu equilíbrio. Propõe-se uma representação da estratégia de modulação em termos de componentes de modo comum e diferencial, possibilitando assim o controle independente da potência processada pelo circuito e de sua respectiva distribuição entre os barramentos. No documento, são desenvolvidas as análises estática e dinâmica das versões bidirecional e unidirecional do conversor, que servem de base para o dimensionamento dos componentes dos respectivos estágios de potência e dos compensadores. Os resultados obtidos nas análises são validados a partir de dois protótipos de 1 kW e 50 kHz que realizam a interface entre uma rede bipolar de +200 V/-200 V e um barramento de 96 V. This work presents the study of the bidirectional and unidirectional three-level Boost converters applied in bipolar dc microgrid. An asymmetrical modulation strategy is adopted, allowing the circuit to redistribute power between the dc microgrid buses, thus contributing to its balance. It is proposed a representation of the asymmetrical modulation strategy in terms of common mode and differential mode components, thus allowing the independent control of the power processed by the circuit and its distribution between the buses. In the document, the static and dynamic analyses of both bidirectional and unidirectional topologies are performed, serving as the basis for the design of the respective power stages and compensators. The results obtained from the analyses are validated from the testing of two 1 kW and 50 kHz prototypes, which perform the interface between a +200 V/-200 V DC microgrid and a 96 V voltage source.

Esta dissertação apresenta a análise e implementação de um conversor CC-CA bidirecional monofásico tipo T de cinco níveis, com o objetivo final de conectá-lo à rede de distribuição de energia. Análises estáticas e dinâmicas são demonstradas, bem como, os esforços em cada componente da estrutura. Uma metodologia de projeto é indicada, visando a implementação prática da topologia, com potência de saída de 2500 VA e 220 . Todas as expressões desenvolvidas por meio da análise matemática do conversor são validadas por meio de simulações numéricas, comprovando a veracidade do equacionamento apresentado. Aspectos positivos do conversor abordado são observados, quando uma comparação com o conversor ponte completa é realizada. Assim, um melhor rendimento global do sistema é alcançado. Os principais aspectos positivos encontrados no conversor estudado são: a) perdas no indutor do filtro passa baixa menores; as comutações em todos os interruptores ocorrem com metade do valor de tensão do barramento CC; de um total de seis semicondutores, dois comutam somente em baixa frequência e quatro alteram entre comutação dissipativa e não dissipativa. b) com a modulação de cinco níveis, uma melhor qualidade do sinal gerado é constatada, reduzindo distorções harmônicas e interferências eletromagnéticas. Sendo assim, ao final, comprovam-se estas características por meio de uma implementação prática. Resultados de simulações e experimentais são apresentados, com a finalidade de validar todo o estudo desenvolvido neste trabalho. This dissertation presents the analysis and implementation of a five level T-type single-phase CC-CA bidirectional converter, with the main goal of connecting it to the electric grid. Static and dynamic analyses are demonstrated, as well as, the stresses on each component of the structure. A design methodology is indicated, seeking the practical implementation of the topology, with a rated power of 2500 VA and 220 . All expressions developed through the mathematical analysis of the converter are validated by numerical simulations, proving the veracity of the presented equations. Positive aspects of the converter are observed, when a comparison with the H bridge converter is performed. Thus, resulting in a better efficiency. The main positive aspects found in the studied converter are: a) reduced losses in the inductor of the low pass filter; the switching in all the switches occurs with half the dc-link voltage; with a total of six semiconductors, two commutes at low frequency and four changes between dissipative and non-dissipative switching. b) with the five-level modulation, a better quality of the generated signal is verified, reducing harmonic distortions and electromagnetic interference. Therefore, in the end, these characteristics are proved by means of a practical implementation. Simulation and experimental results are presented with the purpose of validating the whole study developed in this work.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta uma nova topologia de um conversor CC-CC baseada na configuração boost empregando indutor dividido. As principais características do circuito proposto são o elevado ganho de tensão, o elevado rendimento e a ausência de um circuito grampeador para limitar os picos de tensão sobre os dispositivos semicondutores. O conversor também é constituído por dois capacitores empilhados (“stacked”) em sua saída. Desta forma, além da razão cíclica e da relação de transformação do indutor, o ganho total é obtido através da soma das tensões destes dois capacitores, caracterizando o elevado ganho do sistema. Quanto ao rendimento, considerado neste trabalho como sendo elevado, isso se dá pelo fato de que, embora o conversor opere com corrente pulsante em sua fonte de entrada, ele pode ser projetado com razão cíclica intermediária e apresenta comutação do interruptor controlado próxima a uma comutação sob tensão nula. Além do elevado ganho e elevado rendimento, o sistema também apresenta características naturais de grampeamento ativo da tensão sobre os dispositivos semicondutores, caracterizando-o como um conversor autogrampeado. Quanto ao modelo matemático, tanto a análise estática como a dinâmica são apresentadas. Portanto, além da metodologia de projeto desenvolvida, neste trabalho o conversor é implementado em malha fechada. Três técnicas de controle são projetadas e aplicadas. Primeiro o tradicional controle linear proporcional integral (PI) e depois outras duas técnicas de controle não lineares, o controle por modo deslizantes e o controle conhecido como Piecewise Affine System. Assim, uma análise comparativa com o conversor operando com as três técnicas é apresentada. Uma das principais aplicações do conversor proposto é para o processamento de energia elétrica de sistemas que necessitam ser integrados às redes de energia em corrente alternada (CA), tais como a energia proveniente de sistemas fotovoltaicos. Para finalizar, resultados de simulação são apresentados com o circuito operando com tensão de entrada de 30 V e 48 V, tensão de saída de 400 V, frequência de comutação de 100 kHz e potência de saída de 300 W. This work presents a new topology of a DC-DC converter based on a boost configuration employing coupled inductor. The main features of the proposed circuit are high voltage gain, high efficiency and the absence of a clamping circuit to limit the voltage peaks in the semiconductor devices. The converter is also constituted of two stacked capacitors in the output. Therefore, besides the duty cycle and the turn ratio, the total gain is obtained by the sum of the voltage of the two capacitors, characterizing the high voltage gain. In regard to the efficiency, considered high in this work, this is due to the fact that, although the converter operates with pulsating current at its input source, it can be designed for intermediate duty cycle and presents switching similar to zero voltage switching. In addition to the high step-up and high efficiency, the system presents natural characteristics of active voltage clamping on the semiconductor devices, characterizing it as a self-clamped converter. As for the mathematical model, the steady state and dynamic analysis are also presented. Beyond the developed project methodology, the converter is implemented in closed-loop. Three control techniques are designed and applied in closed-loop. First, the traditional linear proportional-integral control (PI) and two other nonlinear techniques, the sliding mode control and the piecewise affine system control. Accordingly, a comparative analysis of the converter working with the three techniques is presented. One of the main applications of the proposed converter is for electrical energy processing systems that need to be integrated into AC grids, such as energy from photovoltaic systems. Finally, simulation results are presented for the converter operating with an input voltage of 48 V, output voltage of 400 V, switching frequency of 100 kHz and output power of 300 W.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Neste trabalho é apresentado a análise de um conversor CA-CC Bridgeless monofásico de estágio único com correção de Fator de Potência, baseado no conversor SEPIC isolado com os interruptores do lado CA. Para que o conversor exerça a técnica de correção de fator de potência, pelo fato de estar operando no modo de condução contínuo (MCC), é necessário controlar a corrente de entrada. Sendo assim, o sistema de controle, comparado caso o conversor operasse no modo de condução descontínuo (MCD), fica mais complexo, resultando em uma desvantagem para operação em MCC. Porém, quando se trata de rendimento, como os níveis de pico de corrente são menores operando em MCC, se espera obter um rendimento mais elevado. Além disso, com os interruptores do lado CA o conversor apresenta um número menor de semicondutores no caminho da corrente durante um período de comutação, comparado com a topologia convencional, sendo mais um ponto positivo se tratando do rendimento do conversor. São apresentadas as etapas de operação do conversor, as formas de onda ideais, tanto em alta frequência quanto em baixa frequência, a análise matemática contendo as principais equações que regem o funcionamento do conversor e a simulação numérica comprovando a análise desenvolvida. O conversor foi projetado para uma tensão de entrada de 127V com tensão de saída igual a 200V, operando com uma frequência de comutação igual a 50kHz e uma potência entregue a carga igual a 300W. In this paper is presented the analysis of a single-phase bridgeless AC-DC converter with a single-stage of power factor correction, based on an isolated SEPIC converter with AC-side switches. Wherefore the converter carry out the power factor correction technic, by the act of operating in the continuous conduction mode (CCM), it’s essential to control the input current. Therefore, the control system, compared to the converter operating in the discontinuous conduction mode (DCM), become more complex, resulting on a disadvantage for the CCM. Nevertheless, when it’s come to efficiency, how the levels of peak current are smaller operating in CCM, it is expected to obtain a higher efficiency. Besides that, with the AC-side switches the converter presents a smaller number of semiconductors on the current path during a switching period, compared with the conventional topology, become one more positive advantage for the converter efficiency. Are presented the operation stages of the converter, waveforms, for high frequency as well as mains frequency, the numeric analysis possessing the leading equations for the converter operations and the numeric simulation proving the developed analysis. The converter was designed for a 127V input voltage, with a 200V output voltage, operating with a switching frequency of 50kHz, and a 300W rated output power.

Este trabalho propõe um sistema eletrônico de único estágio para acionar LEDs de potência empregando os conceitos Charge-Pump e Valley-Fill. Ambos conceitos estão relacionados a configurações topológicas baseadas na integração de um retificador boost de entrada com um inversor meia onda de saída, caracterizando o sistema de único estágio. A configuração Charge-Pump é utilizada para diminuir a ondulação de corrente dos LEDs. A configuração Valley-Fill é empregada para grampear a tensão de barramento CC em níveis inferiores ao valor de pico da tensão da fonte de entrada durante um longo intervalo de tempo no período da rede de alimentação, mantendo o sistema com elevado fator de potência. Desta forma é possível utilizar capacitores de barramento com valores reduzidos. O princípio de funcionamento do conversor proposto, que em regime permanente inclui três modos de operação, será apresentado e analisado. Uma metodologia de projeto, bem como resultados de simulação também serão apresentados para que se possa verificar as características operacionais do sistema. Neste trabalho será utilizado o comando simétrico em uma frequência de comutação de 67 kHz e 90 kHz. A tensão de alimentação é de 220 V e a carga é composta por 18 LEDs conectados em série com potência total de 47 W. This work proposes a single stage electronic system to drive power LEDs employing Charge-Pump and Valley-Fill concepts. Both concepts are related to topological configurations based on the integration of an input boost rectifier with an output halfbridge inverter, characterizing the single stage system. The Charge-Pump configuration is used to decrease LEDs' current ripple. The Valley-Fill configuration is used to restrict the DC bus voltage at levels lower than the input source voltage peak value over a long period of time in the source period, keeping a high power-factor system. Thus, it is possible to use bus capacitors with reduced values. The proposed converter operation principle, which in steady-state includes three operation modes, that will be presented and analyzed. A design methodology as well as simulation results will also be presented so that the system operational characteristics can be verified. In this paperwork, the symmetric command will be used at a switching frequency of 67 KHz. The supply voltage is 220 V and the load is composed of 18 LEDs series connected with total power of 47 W.

Capes Este trabalho apresenta as análises qualitativa e quantitativa que descrevem o princípio de operação de duas topologias de conversores CC-CC integrados boost-flyback com interleaving generalizado em malha aberta. A primeira topologia corresponde à solução convencional, sendo que uma análise matemática generalizada para qualquer quantidade de células de interleaving é desenvolvida. A segunda topologia é proposta com o intuito de garantir comutação suave em todos os interruptores do circuito. Possibilitando assim, a redução das perdas por comutação do conversor e tornando viável a sua operação com maiores valores de frequência de comutação. Novamente, uma análise matemática generalizada é desenvolvida fornecendo uma descrição genérica da operação do conversor com uma quantidade qualquer de células de interleaving. Os principais resultados das análises são inicialmente validados com simulações computacionais. Para a verificação experimental, foi construído um protótipo de 500 W, 48 V de tensão de entrada, 400 V de tensão de saída operando com frequência de comutação de 100 kHz. Potenciais aplicações da proposta são sistemas de conversão de energia que requerem elevado ganho de tensão com elevado rendimento, tais como sistemas fotovoltaicos, célula a combustível e pequenos aerogeradores. This work presents the qualitative and quantitative analyses describing the open loop operation principle of two integrated boost-flyback dc-dc converters with generalized interleaving. The first topology corresponds to the conventional solution, and a generalized mathematical analysis valid for any number of channels is carried out. A second topology is proposed to guarantee soft switching for all the circuit’s switches. Thus allowing the reduction of the switching losses and making viable its operation with higher values of switching frequency. Again, a generalized mathematical analysis is performed, thus providing a generic description of the converter’s operation for any number of interleaving channels. The main analyses results are initially validated by means of computer-aided simulations. For experimental validation purpose, a 500 W, 48 V input voltage, 400 V output voltage operating at switching frequency of 100 kHz was built. Potential application of the proposal are energy conversion systems requiring high voltage gain and high efficiency, such as photovoltaic, fuel-cell and small-scale wind energy systems.

Mestrado com dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná O trabalho documentado nessa dissertação tem como foco, o estudo do efeito de envelhecimento e degradação sobre o funcionamento dos módulos fotovoltaicos. Para isso, um breve resumo sobre a tecnologia fotovoltaica é realizado no Capítulo 2, apresentando fundamentos e principais modelos (matemáticos e elétricos) de células ou módulos fotovoltaicos utilizados na literatura. Incluindo, os métodos para extração dos parâmetros dos modelos, e também, as equações que expressam a dependência dos parâmetros em relação às condições ambientais de funcionamento. Com o intuito de avaliar os modelos descritos, implementou-se um simulador de sistemas fotovoltaicos no ambiente do Matlab/Simulink. Já o Capítulo 3, tem como foco o diagnóstico dos módulos. Na primeira parte é realizada a caracterização das falhas, quais suas causas e suas consequências nas características elétricas e na curva I - V. Em um segundo momento, os métodos de diagnóstico dos módulos são apresentados, classificados como on-line ou off-line, o presente trabalho foca-se no primeiro tipo, onde o diagnóstico é realizado em campo com o módulo operando em condições reais. O principal parâmetro para o diagnóstico de módulos é a resistência série equivalente, pois ela assume as perdas por efeito Joule, ocorridas devido às conexões metálicas, corrosão dos condutores ou outras falhas. Partindo desse princípio as técnicas apresentadas são avaliadas no Capítulo 4. Resistências séries foram adicionadas ao módulo afim de simular um envelhecimento, e, utilizando um traçador de curvas os pontos são adquiridos para serem processados no Matlab e então aplicado os métodos. Como o valor adiocionado é conhecido, facilmente calcula-se o erro entre o valor real e o valor estimado. Com os resultados obtidos nota-se que é possível fazer um diagnóstico do módulo em tempo real, utilizando dados da folha de características, valores das condições de funcionamento e alguns pontos da curva I - V. The characterization of biological tissues has become high interest area in recent years due to the grow uses and the development of artificial soft tissues implants. In particular, implants manufactured in polidimetilsiloxano (PDMS) polymers. These tissues present a non-linear mechanical behavior, which highly differs from typical engineering materials. This aspect brings an enormous difficulty in characterization of soft tissues and thus required the development of new experimental techniques associate to numerical algorithms. This work presents the mechanical characterization of swine bladder, human vaginal mucosa and artificial material PDMS, based on a hybrid technique, which combines the experimental measurement of displacement field, acquired during a tensile test, with numerical simulation, using material constitutive laws. The Digital Image Correlation technique was used for high spatial resolution measurement of the displacements field on the hyper-elastic biological tissues. During the tensile test of biological tissues was observed fluid release from specimen, producing speckle decorrelation and limited the analysis to low displacements. The proposed hybrid method show to very effective in the characterization of displacement fields and coherency with experimental measurements obtained using Digital Image Correlation technique.

Em um momento em que questões ambientais e a segurança energética estão numa posição de destaque, Veículos Elétricos (VEs) estão no centro das atenções. Entretanto, ainda é difícil para eles substituir os tradicionais veículos de combustão interna e a razão principal para isso é o seu sistema de energia. Normalmente, devido a suas características, baterias são usadas como banco de energia para VEs. No entanto, baterias também apresentam algumas limitações para essa aplicação e o problema no sistema de energia é relacionado a essas limitações. Uma das soluções propostas é se colocar baterias e supercapacitores (SC) em paralelo, resultando em um Sistema Híbrido de Armazenamento de Energia (SHAE). Para fazer essa configuração possível e o fluxo de potência controlável em um SHAE, um conversor CC-CC bidirecional interfaceando a bateria e o SC é necessário. Levando isso em consideração, o estudo de topologias CC-CC bidirecionais é apresentado nessa Dissertação de Mestrado. Primeiro, o estudo de um conversor CC-CC bidirecional com indutor dividido, envolvendo sua análise teórica em regime permanente, análise dinâmica e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, é apresentado, resultando na construção de um protótipo experimental com as seguintes especificações de projeto: Fonte de tensão 1 de 300 V, fonte de tensão 2 de 96 V, frequência de comutação de 20 kHz e potência nominal de 1000 W. Então, o estudo de uma segunda topologia, um conversor CC-CC Buck-Boost ZVS bidirecional, envolvendo sua análise em regime permanente e uma metodologia de projeto com resultados de simulação, também é apresentado. In an era where environmental issues and the energetic safety are in an outstanding position, Electric Vehicles (EVs) are in the spotlight. However, it is difficult for them to replace the ICE vehicles and the main reason for that it is their energy system. Normally, due to some of their characteristics, batteries are used as energy bank in Electric Vehicles. Nevertheless, batteries also present some limitations for this application and the energy system problem is related to these limitations. One of the proposed solutions is to place batteries and Supercapacitors (SC) in parallel, resulting in a Hybrid Energy Storage System (HESS). To make this configuration possible and the power flow controllable in the HESS, a bidirectional DC-DC converter interfacing the battery and the SC is necessary. Taking this into account, the study of bidirectional DC-DC topologies is presented in this Master’s Thesis. First, a study of a bidirectional DC-DC converter with tapped inductor, involving its theoretical steady state analysis, dynamic analysis and design methodology with simulation results, is presented, resulting in the design of an experimental prototype with the following design specifications: Voltage source 1 of 300 V, voltage source 2 of 96 V, switching frequency of 20 kHz and rated power of 1000 W. Then, the study of a second topology, a bidirectional ZVS Buck-Boost DC-DC converter, involving he steady state analysis and a design methodology with simulation results, is also presented.

Esta dissertação propõe a análise de dois conversores de estágio único, isolados em alta frequência e adequados para aplicações de conexão à rede elétrica. Inicialmente, é introduzida uma nova estratégia de modulação para o conversor flyback bidirecional com conexão diferencial. Esta modulação melhorada proporciona melhor desempenho, reduzindo os valores de corrente RMS para cada componente do circuito, contribuindo assim para a redução das perdas por condução. As análises estáticas do conversor operando em ambas estratégias de modulação alternativa e original são apresentadas. A análise dinâmica também é realizada, fornecendo a função de transferência da corrente de saída pela razão cíclica do conversor ligado à uma carga resistiva e acoplado a uma fonte de tensão. Um protótipo com potência de saída de 500 W, 20 kHz, com tensão de entrada de 70 V e 127 VRMS na tensão de saída é apresentado e os resultados experimentais que comparam a nova estratégia de modulação confirmam a análise teórica e desempenho superior. Uma tensão de saída com baixa THD é alcançada para ambas estratégias de modulação, operando em malha aberta em no modo de condução contínua. O segundo conversor é um flyback com grampeamento ativo adequado para ser utilizado como um micro-inversor em aplicações de energias renováveis. As principais características da topologia são o relativo baixo número de componentes, o isolamento em alta frequência, possibilidade de ser utilizado como elevador de tensão de saída e operação em ZVS. O grampeamento ativo permite recuperar a maior parte da energia armazenada na indutância de dispersão dos indutores flyback e, assim, uma melhoria na eficiência do conversor é atingida. A análise estática é fornecida para o conversor operando em CCM. Além disso, uma função de transferência da corrente de saída pela razão cíclica é apresentada para uma carga resistiva na saída. Para este conversor duas frequências de comutação de 100 kHz e 50 kHz foram testadas num protótipo construído para 500 W, com tensão de entrada de 70 V e tensão de saída de 127 VRMS. This thesis proposes the analysis of two single-stage high-frequency isolated converters suited for grid-tied applications. Firstly, a new modulation strategy to the bidirectional flyback converter with differential output connection is introduced. This improved modulation provides better performance by reducing the RMS current values for every circuit element, thereby contributing to reduced conduction losses. The static analyses of the converter operating in both the original and the alternative switching strategies are presented. Dynamic analysis is also performed, providing the output-current-to-duty-cycle transfer function of the converter connected to a resistive load and coupled to an output voltage source. A 500 W, 20 kHz, 70 V input voltage and 127 VRMS output voltage prototype is presented and experimental results comparing the new modulation strategy to the original confirm the theoretical analyses and superior performance of the alternative switching strategy. A low THD output voltage is achieved for both switching strategies, operating in open loop and in continuous conduction mode. The second converter is an active-clamping flyback converter suitable to be used as a microinverter in renewable energy applications. The main features of the topology are the relatively low component count, high-frequency isolation, voltage step-up capability and zero voltage switching. The active clamping allows to recover most of the energy stored in the flyback inductors’ leakage inductance and thus an improvement on the system efficiency is achieved. The static analysis for CCM operation is provided. In addition, an output-current-to-duty-cycle transfer function for a resistive load connected to the output of the converter is presented. Two switching frequencies of 100 kHz and 50 kHz were tested in a prototype built for 500 W, 70 V input voltage and 127 VRMS output voltage.

Este trabalho aborda diversas técnicas de controle, com o intuito de comparação do desempenho e robustez ao aplicá-los a um conversor Buck. Iniciando pelo controlador PID (Proporcional, Integral e Derivativo), amplamente explorado e dominado no meio industrial, ele é adotado neste trabalho como referência de comparação para as demais técnicas desenvolvidas. Outra estratégia aqui apresentada é o GANLPID (Gaussian Adaptative Non Linear PID ou PID Adaptativo Não Linear Gaussiano), trata-se de uma técnica não linear, possui ganhos variantes em função do erro baseados em uma função gaussiana. O controle por alocação de polos é uma técnica de controle que em sua forma básica não possui parcela integral, sendo necessária a inclusão deste termo para minimizar o erro em regime permanente. As principais características de análise de desempenho são o tempo de acomodação e overshoot. Todas as técnicas são exploradas a fim de serem implementadas em dispositivos FPGA (Field Programmable Gate Array), possuindo algumas vantagens sobre microcontroladores e DSP’s (Digital Signal Processor), pois conseguem executar tarefas em paralelo deixando a execução do algoritmo mais rápida. As técnicas de controle escolhidas foram simuladas utilizando a ferramenta DSP Builder e compiladas diretamente em código HDL (linguagem de descrição de hardware). Os resultados de simulação e experimentais são apresentados e comentados para validar os projetos propostos. This work discuss several techniques of control, with an intention of comparison of performance and robustness to apply them to Buck coverter. Starting with PID (Proportional, Integral, Derivative) controller, widely explored and dominated in an industrial environment, it’s used in this work as comparison reference for the others techniques developed. Another strategy presented here is the GANLPID (Gaussian Adaptative Non LinearPID), it’s a case of non linear technique, has won variants in function of the based on a Gaussian error function. variants have gains on function of error based on a Gaussian function. The pole placement control technique not having full part in their basic forms, being necessary to include this term to eliminate the steady-state error. The main performance analysis features are the settling time and overshoot. All the techniques are explored in order to be implemented in FPGA (Field Programmable Gate Array) devices, having some advantages over microcontrollers and DSP’s (Digital Signal Processor), because can execute tasks in parallel allowing the implementation of the algorithm more faster. The chosen control techniques were simulated using the DSP Builder tool and and compiled directly in HDL (hardware description language) code. The results of simulation and experimental are presented and discussed in order to validate the proposed projects.

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

Este trabalho propõe a utilização de dois conversores de estágio único e elevado fator de potência para acionar LEDs de potência sem a utilização de capacitores eletrolíticos no barramento CC. Ambas as topologias podem operar com entrada universal, dimerização da corrente de saída e comando auto-oscilante. No entanto o número de dispositivos semicondutores é maior em relação aos conversores estáticos de energia convencionais. A correção do fator de potência do primeiro conversor proposto é obtida através de uma conexão direta realizada por um indutor inserido entre o estágio inversor de saída e dois capacitores conectados antes do estágio retificador de entrada criando um caminho alternativo para a corrente fornecida pela fonte de alimentação CA entre estes estágios. O segundo conversor realiza a correção do fator de potência através de dois indutores acoplados magneticamente conectados na entrada da ponte retificadora. Estes indutores também operam em conjunto com os dois capacitores de entrada e, por possuírem acoplamento subtrativo, processam energia de forma complementar propiciando um volume de núcleo reduzido em relação ao indutor da primeira topologia proposta. Em ambas as topologias apresentadas, a corrente da fonte de alimentação CA fornece energia instantânea com o dobro da frequência de comutação aplicada ao estágio inversor, permitindo a redução do filtro LC necessário na entrada do sistema. As correntes contínuas aplicadas aos LEDs das duas topologias são obtidas através de pontes retificadoras com filtros capacitivos conectados entre os estágios inversores e os pontos centrais de dois capacitores dos barramentos CC. Resultados de simulação e experimentais utilizando 12 LEDs conectados em série com potência total de 45 W, alimentados em 127 V e 220 V são apresentados para validarem as metodologias de projetos propostas. Two single-stages high-power-factors converters without DC bus electrolytic capacitors for power LEDs applications are proposed in this work. The power factor correction of the first proposed topology is obtained through direct link of one boost inductor connected between the output inverter stage and two capacitors placed before of input bridge rectifier. In the second proposed lighting system, the power factor correction is performed by two magnetically coupled inductors placed at input bridge rectifier that also operate with the two input capacitors and the output inverter stage. In this case, the coupled inductors magnetic fluxes are complementary and their core is reduced when compared with the inductor of the first proposal. In both converters the input voltage provides instantaneous ripple current with twice switching frequency of the output inverter and the input filter inductor is reduced. To obtain continuous current on the LEDs, one output rectifier placed between output inverter stage and a neutron point (NP) of the two DC bus capacitors is used. The LEDS current is limited by a serie inductor. Through steady-state operation the main theorical waveforms as well as the converters design methodologies are presented. To verify the theoretical analysis carried out, simulation and experimental results are also presented. To verify the theoretical analysis, also simulation and experimental results using 12 LEDs connected in series with a power of 45 W, suplied at 127 V and 220 V are presented to validate the methodology proposed projects.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo, o projeto e a implementação de técnicas de controle lineares e não-lineares aplicadas em conversores estáticos de energia elétrica. O principal objetivo deste estudo é controlar, tanto a tensão de saída como o equilíbrio das tensões dos capacitores do barramento CC (Corrente Contínua) de um inversor NPC (Neutral Point Campled) três níveis monofásico. As técnicas de controle utilizadas são o PID (Proporcional-Integral-Derivativo), o ANLPID-GGF (Adaptive Non Linear PID – Gaussian Like Gain Functions), o LQR (Linear Quadratic Regulator) e o SDRE (State Dependent Riccati Equation). O ANLPID-GGF é uma proposta de otimização do controlador PID convencional utilizando funções de ganhos variáveis. Todos os controladores são projetados para manter os mesmos pólos dominantes (autovalores) do sistema em malha fechada de acordo com o modelo do conversor. Desta forma é possível realizar uma comparação mais coerente entre as quatro técnicas de controles estudadas. Com a determinação dos pólos dominantes do sistema é realizado o projeto dos controladores LQR e SDRE por alocação de pólos. Com o projeto por alocação de pólos pode-se evitar os sobre sinais comuns nas aplicações que utilizam controladores LQR e SDRE. Através da análise comparativa entre os quatro controladores, pode-se identificar as características distintas de cada método. Desta forma, também é proposta uma implementação paralela de controladores onde é feita uma associação ponderada entre as leis de controle, dando origem a uma estratégia de controle adaptativo ponderado que melhora o desempenho do sistema, tanto em tempo de resposta quanto na redução dos overshoots. As quatro técnicas de controle utilizadas e a estratégia proposta do controle adaptativo são implementadas em FPGA (Field Programmable Gate Array), utilizando a ferramenta DSP Builder para desenvolvimento e compilação do código HDL (Linguagem de Descrição de Hardware). Resultados de simulações e experimentais são apresentados com o objetivo de validar o desenvolvimento teórico proposto. This work presents a comparative study, design and implementation of linear and nonlinear control techniques applied on power electronics converters. The main objective of this study is to control the output voltage and the voltage balance between the DC bus voltage capacitors balance of a three level NPC inverter. The control techniques used are the classic PID, the ANLPID-GGF, LQR and SDRE. The Non-Linear PID – Gaussian Gain Functions is considered a new nonlinear control technique used for optimization of the classic linear PID control. Taken the converter transfer function, the designs of the four controllers are set so the operating point of the closed loop system presents the same natural frequency. Thus, the comparative analysis of the performance of each control can be performed more precisely. The pole placement technique is used to design the LQR and SDRE controllers. By means of a comparative analysis of the controllers, it a parallel combination of the designed controllers is also proposed, yielding a weighted adaptive control system. The weighted adaptive controller improves the system performance, both in response time and in controlled magnitudes overshoots reduction. The four control techniques and the strategy an adaptive control proposed are implemented on FPGA, using the DSP Builder tool for the development and compilation the VHDL code. Simulation results are presented in order to validate the proposed theoretical development.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents an analysis and design of two Light Emitting Diode (LED) drivers topologies based on static switched converters aiming to avoid using electrolytic capacitors. Considering the low lifetime of electrolytic capacitors compared to LEDs, the topologies aims for reducing the storage capacitance and replaces it by a longer lifetime capacitor, increasing the overall system life span. A Proportional Integral controller is designed to reduce the output current ripple. Consequently, it reduces the bus voltage ripple which allows working with reduced bus capacitances. The input current harmonic distortion limit must be observed. The power factor correction stage is based on a Single Ended Primary Inductance Converter (SEPIC) operating under discontinuous conduction mode (MCD) for both topologies. The power control (PC) stage is performed by a Buck converter for the SEPIC-Buck topology and by a Ćuk converter for the SEPIC-Ćuk topology. These PC converters present output current source behavior, suitable for LED application. Two LED driver prototypes are implemented and the results present high efficiency and a 50% current ripple on the LED. Furthermore a simple dimming strategy is proposed and implemented. Este trabalho apresenta uma análise e projeto para duas topologias de circuito de acionamento para Diodos Emissores de Luz (LED) utilizando conversores estáticos integrados com o objetivo de evitar a utilização de capacitores eletrolíticos. Considerando a baixa vida útil dos capacitores eletrolíticos, se comparada à dos LEDs, as topologias buscam reduzir a capacitância de barramento tornando possível a utilização de capacitores de maior vida útil, aumentando a vida útil do sistema como um todo. Um controlador Proporcional Integral é projetado para reduzir a ondulação na corrente de saída. Consequentemente, a ondulação da tensão de barramento é reduzida permitindo o uso de capacitâncias de barramento reduzidas. O limite da distorção harmônica da corrente de entrada deve ser observado. O estágio de correção do fator de potência é baseado no Conversor com Indutância Simples no Primário (SEPIC) operando no modo de condução descontínuo (MCD) para ambas as topologias. O estágio de controle de potência (PC) é realizado por um conversor Buck para a topologia SEPIC-Buck e por um conversor Ćuk para a topologia SEPIC-Ćuk. Os conversores do estágio PC apresentam característica de fonte de corrente na saída, conveniente para a utilização de LEDs. Dois protótipos para circuitos de acionamento para LEDs são implementados e os resultados apresentam alta eficiência e uma ondulação de 50% na corrente dos LEDs. Além disso, um circuito de controle da intensidade luminosa de bastante simplicidade é proposto e implementado.

O presente trabalho realiza o estudo e implementação de um filtro ativo de potência paralelo (FAPP) aplicado em sistemas trifásicos a quatro fios utilizando a topologia de um inversor de tensão four-legs, visando a redução do conteúdo harmônico gerado por cargas não lineares e a compensação de reativos. A geração das correntes de referência de compensação é obtida através da estratégia de compensação baseada no sistema de eixos de referência síncrona (SRF) a qual utiliza conceitos de controle vetorial. O sincronismo do sistema SRF é realizado através de um circuito q-PLL (q-Phase Locked Loop) o qual é baseado no conceito da teoria da potência instantânea imaginária (teoria pq). A análise matemática da topologia four-legs é desenvolvida a fim de se obter um modelo linear em espaço de estados que represente o sistema físico para os sistemas de coordenadas abc, αβ0 e dq0. O método de controle proposto é implementado em eixos dq0, através de três controladores do tipo PI (Proporcional-Integral), os quais são projetados utilizando os conceitos de margem de estabilidade. Um estudo detalhado da modulação Space Vector aplicada a sistemas trifásicos four-legs é apresentado. Resultados de simulações são apresentados para validar o modelo do filtro proposto bem como a técnica de controle aplicada. Por fim, os resultados experimentais obtidos são avaliados considerando a a recomendação IEEE 519-1992 para mostrar a capacidade do FAPP na supressão de correntes harmônicas e compensação de potência reativa. This work deals with the study and analysis of a parallel active power filter (APF) applied to three-phase four-wire systems using a four-leg inverter, aiming the suppresion of the harmonic content of non-linear loads and reactive power compensation. The generation of the compensation current references is obtained by means of the strategy based on the synchronous reference frame (SRF) system, which utilizes the concepts of vector control. The timing of the SRF system is performed through a q-PLL (q-Phase Locked Loop) circuit that is based on the imaginary instantaneous power theory. Mathematical analysis is developed in order to obtain a linear model in state space that represents the physical system in the coordinate systems abc, αβ0 and dq0. The proposed control method is implemented in dq0 axes through three Proportional-Integral (PI) controllers, which are designed using the concepts of stability margin. A detailed study of Space Vector modulation applied to three-phase four-leg inverter is presented. Simulation results are presented to validate the model of the APF and the control technique adopted. Finally, experimental results are obtained and evaluated considering the recommendation IEEE 519-1992 to show the capability of the parallel APF of current harmonic suppression and reactive power comensation.

Este trabalho tem por objetivo descrever a pesquisa, o desenvolvimento e a implantação de um Sistema de Monitoramento Especializado (SME) integrando-o aos processos de gestão, visando manter a qualidade e o fornecimento em sistemas públicos de abastecimento de água no segmento de saneamento básico. Apoiado nos índices de desperdício de produtos demonstra a importância da implantação do SME para analisar e prescrever ações de intervenção de manutenção e embasar as decisões. Ressalta o surgimento de um Gerenciamento Especializado de Manutenção (GEM), decorrente da integração automatizada entre a manutenção e os demais setores das empresas, tais como: o setor de produção, de engenharia e de gestão. A metodologia adotada é demonstrada no estudo dos processos de Automação e Gestão de Manutenção existentes em uma empresa de saneamento básico de uma cidade com 300 mil habitantes e na elaboração e implantação do SME entre os anos 2005 e 2006, nesta empresa. Os resultados obtidos na redução de perdas de água, no apoio às decisões e no gerenciamento da manutenção, se mostram evidentes. Como conclusão, o trabalho aponta o SME como uma oportunidade de melhoria no controle e no gerenciamento da área de manutenção, através do seu sistema especialista que integra, analisa as informações e agiliza as decisões e prescrições de intervenção de forma fundamentada e consistente. This paper has the objective of describing the research, the development and the implementation of a Specialized Monitoring System (SME) integrated to administrative processes, which aims to maintain the water quality and its supply in segments of public basic sanitation systems. Based on levels of product losses, demonstrates the importance of the SME implementation to analyze and prescribe intervention actions in mantenance and orient decisions. It emphasizes the creation of a Specialized Maintenance Management System (GEM), derived from the automated integration between maintenance and the other company departments, such as: the production department, the engineering department and the administrative department. The adopted method is demonstrated in the process studies about Automation and Maintenance Manangement in a basic sanitation company of a city with 300 thousand inhabitants. This method is also demonstrated in the making and the implementation of the SME in this company during 2005/2006. The results obtained in the reduction of water loss, the support in the decision making process and the improving of maintenance management are evident. As conclusion, the paper indicates the SME as an opportunity for improving the control and the management of the maintenance department through its specialized system which integrates and analyses information, reduces the time used in the decision making process as well as prescribes a well-based and consistent way of intervention.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Este trabalho apresenta novas topologias para reatores eletrônicos com alto fator de potência aplicados em lâmpadas fluorescentes, baseadas no conceito "Charge pump", onde se destacam algumas características tais como: redução dos custos de produção por possuírem menor quantidade de componentes, baixa distorção harmônica na corrente de entrada, menor corrente nos interruptores e baixa tensão sobre o capacitor do barramento CC. Além disso, a principal característica destas novas topologias é a sua simplicidade e a grande possibilidade de compactação. A metodologia de cálculo para a condição de fator de potência unitário e os resultados experimentais dos protótipos utilizando lâmpadas fluorescentes é apresentada neste trabalho, validando a teoria e comprovando a viabilidade técnica das propostas.