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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Projeto e análise de rendimento de uma UPS monofásica de três braços e construção de um calorímetro fechado de dupla caixa
Authors: Renato Atila Silva Santana
First Advisor: Lenin Martins Ferreira Morais
First Referee: Porfirio Cabaleiro Cortizo
Second Referee: Pedro Francisco Donoso Garcia
Third Referee: Marcos Antonio Severo Mendes
Abstract: As UPSs (Uninterruptible Power Supplies) são equipamentos que garantem a alimentação sustentada de energia elétrica, com elevados níveis de qualidade e confiabilidade. Esses equipamentos são comumente empregados no suprimento de sistemas com missão crítica, em que distúrbios ou a indisponibilidade de energia elétrica podem acarretar perdas financeiras e/ou humanas (e.g., hospitais, bancos, datacenters e entre outros). Na literatura, diversas topologias de UPSs monofásicas foram propostas em alternativa à configuração clássica com transformadores, como solução para o aumento de rendimento e de densidade de potência e para a redução de custo. Dentre essas alternativas, as variações de UPS sem transformadores (transformerless) se mostram mais viáveis por dispensarem a necessidade de transformadores de baixa frequência, que representam uma fração significativa da massa e do volume total da UPS convencional. Nesse contexto, a UPS de três braços é reportada como alternativa para o projeto de UPSs sem transformador de baixa e média potência, com elevado rendimento e densidade de potência. Esse trabalho pretendeu avaliar o desempenho da topologia de três braços, no tocante ao rendimento e densidade de potência mássica e volumétrica. Uma proposta alternativa de ligação do banco de baterias, na entrada dessa UPS, também foi analisada. Ademais, protótipos de calorímetro direto de caixa simples e de dupla caixa foram construídos para medição das perdas em conversores. A metodologia adotada se baseou na comparação de projetos de UPSs de três braços com dispositivos semicondutores de vários materiais (silício, carbeto de silício e nitreto de gálio), tecnologias (IGBTs, MOSFETs e arranjo cascode com MOSFET de silício e HFET de GaN) e encapsulamentos (TO-247-3, TO-247-4, SMT top e HSOF-8). Simulações da UPS completa em MATLAB/Simulink validaram as estratégias adotadas para controle, modulação, sincronismo e comutação entre os estados normal e energia armazenada, bem como a proposta de conexão do banco de baterias sugerida neste trabalho. Essas simulações também demonstraram a operação da UPS em modo assíncrono ou síncrono, i.e., com frequência de saída desacoplada ou não daquela da rede elétrica. Os detalhes da construção, dimensionamento e calibração dos calorímetros construídos foram apresentados. Os resultados experimentais preliminares dos protótipos desenvolvidos também foram discutidos.
Abstract: An UPS is an equipment that provides continuous power supply, with high levels of quality and reliability. This equipment is usually employed for supplying mission-critical systems, in which disturbances or power interruptions can cause financial losses or damages (e.g., hospitals, bank offices, datacenters, etc.). In the literature, several topologies have been proposed as an alternative to the classical configuration with low-frequency transformers, as a solution for enhancing efficiency and power density and decreasing overall costs. Among these alternatives, transformerless solutions (i.e., without transformers) become promising, as they do not require low-frequency transformers which comprise an expressive part of overall weight and volume of a conventional UPS. In this context, a three-arm UPS is often reported as a suitable transformerless topology for low- and medium-power single-phase UPS, with high efficiency and power density. This thesis aimed to assess the performance of the single-phase three-arm UPS, concerning efficiency and power density. An alternative connection for battery set was also evaluated. Furthermore, a prototype of a direct double-jacketed calorimeter was built in order to measure the losses of power converters. The adopted methodology was based on the comparison of several three-arm UPS designs with devices made by different materials (silicon, silicon carbide and gallium nitride) and of various technologies (IGBTs, MOSFETs and cascode configuration with silicon MOSFET and GaN HFET) and packages (TO-247-3, TO-247-4, SMT top and HSOF-8). The UPS was also simulated in MATLAB/Simulink, in order to validate the modulation strategies and the techniques adopted for controlling, synchronizing and commutating between the normal state and the stored energy mode, as well as the alternative connection of the battery set. These simulations demonstrated the operation in asynchronous and synchronous modes, i.e., with an output frequency that can be decoupled or not to the means frequency. All details related to construction, dimensioning and calibration of the double-jacketed calorimeter were also presented. Preliminary experimental results were also discussed in this thesis.
Subject: Engenharia elétrica
Calorímetros
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BC2HSD
Issue Date: 5-Sep-2018
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