Sistema de conversão de energia multiníveis CA/CC/CA e CC/CA.
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG |
Texto Completo: | http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/21879 |
Resumo: | Neste trabalho são propostas, caracterizadas e analisadas novas topologias e técnicas de controle de conversores multiníveis CA/CC/CA e CC/CA aplicados a sistemas de conversão e compensação de energia. São buscadas configurações com: 1) menores distorções harmônicas das tensões geradas; 2) menores perdas nos semicondutores; 3) menor estresse nos componentes; e 4) menor custo, no caso das configurações unidirecionais. Os conversores CA/CC/CA estudados fornecem tensão com baixa distorção harmônica e amplitude e fase constantes a uma carga consumindo uma corrente da rede elétrica senoidal e com alto fator de potência. Esses conversores podem ser utilizados em aplicações similares às que usam UPSs e UPQCs. São estudadas três categorias de conversores CA/CC/CA: 1) monofásicos/monofásicos unidirecionais; 2) monofásicos/monofásicos bidirecionais; e 3) monofásicos/ trifásicos bidirecionais. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos unidirecionais são propostos e um deles possui desempenho aproximado e menor custo que o convencional. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos bidirecionais são propostos. Ambos podem ser utilizados para mitigar harmônicos e sobretensões na componente fundamental da tensão da rede elétrica. Para obter essa característica, uma configuração utiliza um transformador operando na frequência da rede elétrica, enquanto a outra utiliza uma ponte H. Comparadas às configurações convencionais, as propostas possuem menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/trifásicos bidirecionais para aplicações nas quais as frequências da rede elétrica e da carga são iguais são estudados. Comparados ao conversor convencional e operando com a amplitude da tensão na carga igual a aproximadamente metade da amplitude da tensão da rede elétrica, eles reduzem as tensões e a potência processada pelas chaves, a distorção harmônica total com a mesma frequência de amostragem e as perdas por chaveamento e totais. Para os sistemas CC/CA, são estudados inversores multiníveis monofásicos com transformadores em cascata. A topologia proposta possui dois barramentos CC e dois braços compartilhados. A generalização do conversor e o cálculo dos parâmetros que maximizam o número de níveis gerados são apresentados. Comparado às configurações convencionais, a proposta tem mais níveis por transformador/braço quando as configurações têm o mesmo número de braços/transformadores e possui menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. As topologias estudadas neste trabalho são comparadas utilizado critérios como quantidade e estresse nos componentes, distorção harmônica das tensões geradas, frequências de chaveamento das chaves e perdas nos semicondutores. Os limites de operação dos conversores são apresentados, bem como os sistemas de controle. Implementações experimentais foram utilizadas para comprovar a teoria apresentada e mostrar a viabilidade dos sistemas. |
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Sistema de conversão de energia multiníveis CA/CC/CA e CC/CA.AC/DC/AC and DC/AC multilevel power conversion system.Sistemas de conversão de energia multiníveisControle de barramento CCConversores CA/CC/CAEstratégia PWM vetorialModulação por largura de pulso vetorialProcessamento de energiaConversores multiníveisControle de conversores multiníveisMultilevel Energy Conversion SystemsDC bus controlAC/DC/AC ConvertersDC/AC ConvertersVector PWM strategyModulation by vector pulse widthEnergy processingMultilevel ConvertersControl of multilevel convertersEngenharia Elétrica.Neste trabalho são propostas, caracterizadas e analisadas novas topologias e técnicas de controle de conversores multiníveis CA/CC/CA e CC/CA aplicados a sistemas de conversão e compensação de energia. São buscadas configurações com: 1) menores distorções harmônicas das tensões geradas; 2) menores perdas nos semicondutores; 3) menor estresse nos componentes; e 4) menor custo, no caso das configurações unidirecionais. Os conversores CA/CC/CA estudados fornecem tensão com baixa distorção harmônica e amplitude e fase constantes a uma carga consumindo uma corrente da rede elétrica senoidal e com alto fator de potência. Esses conversores podem ser utilizados em aplicações similares às que usam UPSs e UPQCs. São estudadas três categorias de conversores CA/CC/CA: 1) monofásicos/monofásicos unidirecionais; 2) monofásicos/monofásicos bidirecionais; e 3) monofásicos/ trifásicos bidirecionais. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos unidirecionais são propostos e um deles possui desempenho aproximado e menor custo que o convencional. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos bidirecionais são propostos. Ambos podem ser utilizados para mitigar harmônicos e sobretensões na componente fundamental da tensão da rede elétrica. Para obter essa característica, uma configuração utiliza um transformador operando na frequência da rede elétrica, enquanto a outra utiliza uma ponte H. Comparadas às configurações convencionais, as propostas possuem menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/trifásicos bidirecionais para aplicações nas quais as frequências da rede elétrica e da carga são iguais são estudados. Comparados ao conversor convencional e operando com a amplitude da tensão na carga igual a aproximadamente metade da amplitude da tensão da rede elétrica, eles reduzem as tensões e a potência processada pelas chaves, a distorção harmônica total com a mesma frequência de amostragem e as perdas por chaveamento e totais. Para os sistemas CC/CA, são estudados inversores multiníveis monofásicos com transformadores em cascata. A topologia proposta possui dois barramentos CC e dois braços compartilhados. A generalização do conversor e o cálculo dos parâmetros que maximizam o número de níveis gerados são apresentados. Comparado às configurações convencionais, a proposta tem mais níveis por transformador/braço quando as configurações têm o mesmo número de braços/transformadores e possui menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. As topologias estudadas neste trabalho são comparadas utilizado critérios como quantidade e estresse nos componentes, distorção harmônica das tensões geradas, frequências de chaveamento das chaves e perdas nos semicondutores. Os limites de operação dos conversores são apresentados, bem como os sistemas de controle. Implementações experimentais foram utilizadas para comprovar a teoria apresentada e mostrar a viabilidade dos sistemas.This work consists of the study, characterization, and analysis of new topologies and control techniques of AC/DC/AC and DC/AC multilevel energy conversion systems. The main motivation is to find configurations with 1) lower voltage harmonic distortion; 2) lower semiconductor losses; 3) components with lower rating; and 4) lower cost, in the case of the unidirectional converters. The studied AC/DC/AC converters generate voltages with low harmonic distortions and constant amplitude and phase and keep the grid current sinusoidal and with high power factor. These converters can be utilized in UPS and UPQC applications. Considering the AC/DC/AC systems, three types of converters are studied: 1) single-phase to single-phase unidirectional; 2) single-phase to single-phase bidirectional; 3) single-phase to three-phase bidirectional. Two AC/DC/AC single-phase to single-phase unidirectional converters are proposed and one of them has similar performance and lower cost than the conventional one. Two AC/DC/AC single-phase to single-phase bidirectional converters are proposed. Both converters can be used to mitigate fundamental overvoltage and voltage harmonics at the grid. One converter accomplishes this using a line frequency transformer and the other using an H-bridge. Compared with the conventional configurations, the proposed ones have lower switching and higher conduction losses. Two AC/DC/AC single-phase to three-phase bidirectional are studied. They are more interesting for applications in which grid and load fundamental frequencies are the same. Compared with the conventional topologies and operating with the load voltage equal to approximately half the amplitude of the grid voltage, these converters decrease the voltages and the power processed by the switches, the total harmonic distortion with the same sampling frequency and the switching and total losses. Considering the DC/AC systems, multilevel single-phase inverters with cascaded transformers are studied. The proposed topology is a single-phase topology with two dc links and two shared legs. A generalized model of the topology is presented followed by the calculation of its parameters to maximize the number of equally spaced voltage levels. Compared with the conventional topologies, the proposed one has more levels per transformer/leg when the configurations have the same number of legs/transformers, and has lower switching and higher conduction losses. The AC/DC/AC and DC/AC configurations are analyzed and compared considering, for example, the number of dc links, dc-links voltages values, harmonic distortion of the generated voltages, and semiconductors conduction and switching losses. The regions of operation of the converters are presented. The control systems of the studied converters are presented and the control of the dc-links voltages is highlighted. Experimental results are provided to prove the theoretical results and the viability of the systems.CNPqUniversidade Federal de Campina GrandeBrasilCentro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEIPÓS-GRADUAÇÃO EM LETRAS EM REDE PROFLETRAS (UFRN)UFCGJACOBINA, Cursino Brandão.JACOBINA, C. B.http://lattes.cnpq.br/0261885352003041ROCHA, Nady.BRADASCHIA, Fabricio.FREITAS, Nayara Brandão de.2020-032021-11-08T12:10:50Z2021-11-082021-11-08T12:10:50Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/21879FREITAS, Nayara Brandão de. Sistema de conversão de energia multiníveis CA/CC/CA e CC/CA. 2020. 231f. (Tese de Doutorado) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande - Paraíba - Brasil, 2020. 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Neste trabalho são propostas, caracterizadas e analisadas novas topologias e técnicas de controle de conversores multiníveis CA/CC/CA e CC/CA aplicados a sistemas de conversão e compensação de energia. São buscadas configurações com: 1) menores distorções harmônicas das tensões geradas; 2) menores perdas nos semicondutores; 3) menor estresse nos componentes; e 4) menor custo, no caso das configurações unidirecionais. Os conversores CA/CC/CA estudados fornecem tensão com baixa distorção harmônica e amplitude e fase constantes a uma carga consumindo uma corrente da rede elétrica senoidal e com alto fator de potência. Esses conversores podem ser utilizados em aplicações similares às que usam UPSs e UPQCs. São estudadas três categorias de conversores CA/CC/CA: 1) monofásicos/monofásicos unidirecionais; 2) monofásicos/monofásicos bidirecionais; e 3) monofásicos/ trifásicos bidirecionais. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos unidirecionais são propostos e um deles possui desempenho aproximado e menor custo que o convencional. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/monofásicos bidirecionais são propostos. Ambos podem ser utilizados para mitigar harmônicos e sobretensões na componente fundamental da tensão da rede elétrica. Para obter essa característica, uma configuração utiliza um transformador operando na frequência da rede elétrica, enquanto a outra utiliza uma ponte H. Comparadas às configurações convencionais, as propostas possuem menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. Dois conversores CA/CC/CA monofásicos/trifásicos bidirecionais para aplicações nas quais as frequências da rede elétrica e da carga são iguais são estudados. Comparados ao conversor convencional e operando com a amplitude da tensão na carga igual a aproximadamente metade da amplitude da tensão da rede elétrica, eles reduzem as tensões e a potência processada pelas chaves, a distorção harmônica total com a mesma frequência de amostragem e as perdas por chaveamento e totais. Para os sistemas CC/CA, são estudados inversores multiníveis monofásicos com transformadores em cascata. A topologia proposta possui dois barramentos CC e dois braços compartilhados. A generalização do conversor e o cálculo dos parâmetros que maximizam o número de níveis gerados são apresentados. Comparado às configurações convencionais, a proposta tem mais níveis por transformador/braço quando as configurações têm o mesmo número de braços/transformadores e possui menores perdas por chaveamento e maiores perdas por condução. As topologias estudadas neste trabalho são comparadas utilizado critérios como quantidade e estresse nos componentes, distorção harmônica das tensões geradas, frequências de chaveamento das chaves e perdas nos semicondutores. Os limites de operação dos conversores são apresentados, bem como os sistemas de controle. Implementações experimentais foram utilizadas para comprovar a teoria apresentada e mostrar a viabilidade dos sistemas. |
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