Análise, projeto e implementação de um inversor trifásico baseado no conversor CC-CC Buck-Boost

Abstract

RESUMO: No cenário energético atual torna-se cada vez mais importante a utilização de fontes auxiliares de energia que contribuam para o sistema elétrico. A pesquisa e o perfeiçoamento de novos inversores de potência são essenciais para garantir a viabilidade da utilização de fontes renováveis de energia em sistemas de geração distribuida, bem como no emprego destas em locais remotos como sistemas isolados. Neste ensejo, a eletrônica de potência é fundamental, pois normalmente no caso de sistemas fotovoltaicos e isolados, as fontes de energia elétrica fornecem tensões contínuas de valores baixos, que necessitam elevação para assim poderem ser convertidas em tensão alternada para conexão à rede elétrica ou acionar uma carga isolada com baixas distorções harmônicas. Muitas destas aplicações utilizam dois conversores, um CC-CC elevador e outro CC-CA, ou seja o inversor propriamente dito. A topologia estudada neste trabalho tem como objetivo fazer o interfaceamento entre fonte e carga com apenas um único estágio, onde são realizadas as operações de elevação e a inversão da tensão contínua em alternada nas amplitudes e frequências desejadas. O inversor utiliza três células do tipo Buck-Boost, com referenciais senoidais defasados de 120 ◦ um do outro. As tensões trifásicas são obtidas tomando-se as saídas dos três conversores em forma diferencial. Todo o modelamento do inversor é realizado utilizando-se o Modelo Médio Quase Instantâneo em Espaço de Estados, e por meio deste analisado o comportamento dinâmico do inversor operando em diferentes cenários através de simulações computacionais numéricas, e através de sofware dedicado à simulação de circuitos em eletrônica de potência. Um modelo monofásico é apresentado e comparado seu comportamento dinâmico com o modelo trifásico com carga resistiva operando com tensão constante e variável na saída, bem como com variações de carga. Utilizando-se o modelo monofásico, é apresentada uma metodologia para o cálculo dos indutores e capacitores do inversor com base na resposta em frequência. São analisadas as influências da componente de tensão contínua presente nos capacitores do inversor considerando esta constante e proporcional à amplitude da componente senoidal nos capacitores. Para aplicações onde é desejável que amplitude da tensão de saída seja variável, foi concluído que utilizando o valor da componente da tensão contínua nos capacitores proporcional, obtêm-se redução do stress de tensão nas chaves e dos valores médio e eficazes de correntes nas chaves e nos indutores. Para validação de toda análise teórica e das simulações eletrônicas, um protótipo com seis IGBTs chaveados na frequência de 20 kHz, com tensão de entrada de 48 V foi implementado. Resultados experimentais foram obtidos utilizando-se cargas em estrela com potência de 200 W do tipo R, RL e RC, alimentadas com 50 V de tensão de linha e frequência de 60 Hz.

ABSTRACT: In the current energy scenario, it is becoming increasingly important to use auxiliary energysources that contribute to the electrical system. Research and improvement of new powerinverters are essential to guarantee the feasibility of using renewable energy sources indistributed generation systems, or in remote locations as isolated systems. In this occasion,the power electronics is fundamental, because normally in the case of photovoltaic andisolated systems. These energy sources provide low voltage values, which require a booststage in order to be converted into alternating voltage for connection to the grid or todrive an isolated load with low harmonic distortions. Many of these applications use twoconverters, a boost DC-DC converter, and an inverter. The topology studied in this workaims to make the interface between the source and load with a single stage. In otherwords, the boost and inversion operations are performed at the same time. The inverteruses three Buck-Boost cells, with sinusoidal references shifted by 120◦from each other.Three-phase voltages are obtained by taking the differential voltages across the outputsof the converters. The inverter is modeled using state-space average-value modeling. Itis analyzed the dynamic behavior of the inverter operating in different scenarios throughnumerical computer simulations, and circuit simulation software in power electronics. Asingle-phase model is presented and its dynamic behavior is compared with the three-phasemodel with resistive load operating with constant and variable output voltage, as well aswith load variations. A methodology is presented for calculating the inverter inductors andcapacitors based on frequency response using the single-phase model. Influences of theDC voltage level present in the capacitor voltages are analyzed considering the constantDC level and DC level proportional to the amplitude of the sinusoidal component in thecapacitors. For applications where it is desirable variable output voltages, it was concludedthat using proportional DC voltage level, reduction of voltage stress on switches is obtainedand the current average and RMS values in the switches and inductors. For validation ofall theoretical analysis and electronic simulations, a prototype with six IGBTs switched at afrequency of 20 kHz, with an input voltage of 48 V was implemented. Experimental resultswere obtained using star loads with a power of 200 W of type R, RL and RC, fed with 50 V ofline voltage and 60 Hz frequency.