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Title in Portuguese: Transformador de estado sólido CA-CC com estágio integrado baseado no cascateamento e intercalamento de conversores ponte completa para aplicação em trens elétricos
Author: Pacheco, Juliano de Oliveira
Advisor(s): Oliveira Júnior, Demercil de Souza
Keywords: Conversor multinível modular
Conversor CA-CC bidirecional
Correção de fator de potência
Isolação em alta frequência
Topologia de estágio integrado
Issue Date: 2019
Citation: PACHECO, Juliano de Oliveira. Transformador de estado sólido CA-CC com estágio integrado baseado no cascateamento e intercalamento de conversores ponte completa para aplicação em trens elétricos. 2019. 138 f. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Os transformadores de estado sólidos vêm ganhando mais destaque na atualidade por conta do aumento da utilização de energias renováveis, smart grids e sistemas que requerem redução de peso e volume como aplicações em tração elétrica. Assim, esta tese propõe o estudo e desenvolvimento de uma topologia de conversor CA-CC isolada biderecional de único estágio baseada no conversor multinível modular. Essa topologia é baseada no conversor modular multinível e emprega os conceitos de intercalamento de conversores e de integração de estágios de potência. Essa topologia conta com a presença de três elementos magnético, sendo eles um transformador que garante a isolação galvânica em alta frequência, um indutor de filtro de corrente de entrada e um indutor para o auxílio na transferência de potência do lado primário para o lado secundário do conversor. As principais características da estrutura são advindas dos conceitos empregados, tais como elementos passivos operando com frequência efetiva maior que a de comutação, minimização das ondulações de corrente em média frequência e volume e peso reduzidos. É realizada uma análise qualitativa onde são mostradas as etapas de operação do conversor, a técnica de modulação empregada, bem como a estratégia de controle adotada para o conversor. Também é feita a análise quantitativa apresentando os cálculos de perdas do conversor, a variação da corrente de entrada e a análise do fluxo de potência entre o primário e o secundário do conversor. É realizado o dimensionamento dos controladores no domínio discreto e no domínio da frequência. Por fim são apresentados os resultados de simulação e experimentais do conversor, operando com uma frequência de comutação de 5 kHz, potência nominal de 1,5 kW, tensão de saída de 300 V e tensão de alimentação de 165 V com frequência de 60 Hz. Um elevado fator de potência, com cerca de 0,99, uma baixa distorção harmônica da corrente de entrada de 3,6%, e um rendimento de 87% foram alcançados.
Abstract: Solid state transformers are gaining more prominence today due to the increased use of renewable energies, smart grids and systems that require weight and volume reduction as applications in electric traction. Thus, this thesis proposes the study and development of a single stage biderectional AC-DC converter topology based on the multilevel modular converter. This topology is based on the modular multilevel converter and employs the concepts of interleaving converters and integrating power stages. This topology has the presence of three magnetic elements, which are a transformer that ensures galvanic isolation at high frequency, an input current filter inductor and an inductor to aid in the transfer of power from the primary to the secondary side of the converter. The main characteristics of the structure come from the concepts employed, such as passive elements operating with an effective frequency higher than that of switching, minimizing current ripples in medium frequency and reduced volume and weight. A qualitative analysis is carried out, showing the operation steps of the converter, the modulation technique used, as well as the control strategy adopted for the converter. Quantitative analysis is also performed showing the converter's loss calculations, the variation of the input current and the power flow analysis between the primary and secondary of the converter. The controllers are dimensioned in the discrete domain and in the frequency domain. Finally, the simulation and experimental results of the converter are presented, operating with a switching frequency of 5 kHz, nominal power of 1.5 kW, output voltage of 300 V and supply voltage of 165 V with a frequency of 60 Hz. A high power factor, around 0.99, a low harmonic distortion of the input current of 3.6%, and a efficiency of 87% were achieved.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/54937
metadata.dc.type: Tese
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