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Type: Tese
Title: Família de conversores CC/CC de alto ganho com célula diodo-capacitiva e célula multiplicadora de tensão aplicada a uma nanorrede CC residencial
Authors: Freitas, Antônio Alisson Alencar
Advisor: Antunes, Fernando Luiz Marcelo
Co-advisor: Sá Júnior, Edilson Mineiro
Keywords in Brazilian Portuguese : Célula multiplicadora de tensão;Conversores cc/cc;Célula diodo–capacitiva;Conversores de corrente elétrica
Keywords in English : Voltage multiplier cell;dc/dc converters;Diode-capacitive cell;Electric current converters
Issue Date: 2024
Citation: FREITAS, Antônio Alisson Alencar. Família de conversores CC/CC de alto ganho com célula diodo-capacitiva e célula multiplicadora de tensão aplicada a uma nanorrede CC residencial. 2024. 130 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este trabalho apresenta uma família de conversores aplicados a sistemas em corrente contínua multitensão com predominância de fontes renováveis de energia para prossumidor residencial. As topologias apresentadas no trabalho são conversores CC/CC elevadores, não isolados, do tipo Boost, Cuk e Zeta, com a inserção de indutores acoplados, célula diodo-capacitiva e célula multiplicadora de tensão. A utilização de corrente contínua para alimentar internamente residências (nanorredes) está, cada vez mais, tornando-se uma realidade, principalmente devido ao crescimento de consumidores que também produzem sua própria energia (prossumidores) e às perdas por conversão inerentes a uma grande parte dos produtos eletrônicos quando alimentados em corrente alternada. Devido ao baixo custo de compra e instalação, os painéis fotovoltaicos vêm liderando o setor de fontes renováveis para consumidores residenciais; portanto, o estudo dos conversores CC/CC integrados a esses painéis é de suma importância para o crescimento do setor. Dessa forma, esse trabalho visa ao desenvolvimento de conversores CC/CC que possuam peso e volume reduzidos, que apresentem modularidade, que não utilizem capacitores eletrolíticos, que tenham elevado ganho estático e que possuam uma corrente de saída não pulsada, pois essas características são de grande relevância no que tange aos sistemas em corrente contínua residenciais. As topologias foram analisadas de forma qualitativa, avaliando as etapas de operação, e de forma quantitativa, avaliando os principais equacionamentos em modo de condução contínuo (MCC) e em modo de condução descontínuo (MCD). Para validar as topologias propostas, foi realizada a implementação, em laboratório, da topologia Boost alto ganho com indutores acoplados, célula diodo-capacitiva e célula multiplicadora de tensão. O protótipo possui 200 W de potência com tensão de entrada de 26 Vcc, 380 Vcc de saída, frequência de chaveamento de 50 kHz, sem capacitor eletrolítico e com característica de fonte de corrente na entrada e na saída. Os testes realizados em laboratórios mostraram que o interruptor de potência opera sob condição de transição em corrente zero (ZCT) no ligar e que os diodos de saída operam em condição de chaveamento em corrente zero (ZCS) no ligar e em condição de chaveamento em tensão zero (ZVS) ao desligar. Dessa forma, o conversor apresentou um rendimento de 96,2%, medido em 60 W e, em condição de potência https://orcid.org/0000-0002-7388-229X conversores cc/cc; célula diodo–capacitiva; célula multiplicadora de tensão dc/dc converters; diode-capacitive cell; voltage multiplier cell nominal, de 94,35%, mostrando que as topologias apresentadas no trabalho são robustas e eficientes para serem utilizadas em sistemas residenciais alimentadas em corrente contínua.
Abstract: This work presents a family of converters applied to multi-voltage direct current systems with a predominance of renewable energy sources for residential prosumers. The topologies presented in the work are non-isolated DC/DC converters the types of Boost, Cuk, and Zeta with the insertion of coupled inductors, diode-capacitive cell, and voltage multiplier cell. The use of direct current to internally power residences (nanogrids) is increasingly becoming a reality, due to the growth of consumers who also produce their own energy (prosumers) and due to the conversion losses inherent in a large part of electronic products when powered in alternating current. Due to the low cost of purchase and installation, photovoltaic panels have been leading the renewable energy sector applied to residential consumers; therefore, the study of DC/DC converters integrated with these panels is of high importance for the sector's growth. Thus, this work aims to develop DC/DC converters that have reduced weight and volume, that exhibit modularity, that do not use electrolytic capacitors, that have high static gain, and that have a non-pulsating output current, as these characteristics are of great importance regarding residential direct current systems. The topologies were analyzed qualitatively, examining their operation stages and their ideal waveforms, and quantitatively, studying their main equations in continuous conduction mode (CCM) and discontinuous conduction mode (DCM). To validate the proposed topologies, the high-gain Boost topology with coupled inductors, diode-capacitive cell, and voltage multiplier cell was implemented in the laboratory. The prototype has 200 W of power with an input voltage of 26 Vdc, an output of 380 Vdc, a switching frequency of 50 kHz, no electrolytic capacitor, and a current source characteristic at the input and output. Laboratory tests showed that the power switch operates under zero current transition (ZCT) condition at turn-on, and that the output diodes operate under zero current switching (ZCS) condition at turn-on and under zero voltage switching (ZVS) condition at turn-off. Thus, the converter showed an efficiency of 96.2% measured at 60 W and, under nominal power condition, of 94.35%, showing that the topologies presented in the work are robust and efficient to be used in residential systems powered by direct current.
Description in Brazilian Portuguese: Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78825
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2484-0990
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0693410067852896
Advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0564-4564
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/3429770707790925
Co-advisor's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7388-229X
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/4828845714096699
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DEEL - Teses defendidas na UFC

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