Uma nova metodologia de projeto e controle para o inversor Boost (CSI) monofásico, para o aproveitamento de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica

Abstract

Este trabalho propõe uma nova abordagem na metodologia de operação para o inversor Boost monofásico, como estrutura base para o aproveitamento de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica. Considerando-se que equipamentos eletro/eletrônicos convencionais em CA (corrente alternada) necessitam, normalmente, de níveis e formato de tensão diferentes daqueles fornecidos por essas fontes de energia, o inversor proposto é uma estrutura integrada que tem a capacidade de operar como conversor elevador de tensão e inversor, apresentando um número reduzido de componentes e rendimento maior, quando comparado às formas tradicionais de se associar em cascata o conversor elevador com o inversor. O projeto convencional do inversor fonte de corrente (CSI) exige uma indutância elevada de entrada, além disso, o modelo a pequeno sinais do CSI é semelhante ao do conversor Boost no modo de condução contínua, apresentando um zero no semi-plano direito na função de transferência para o controle da tensão de saída, sendo que este zero causa o conhecido efeito de fase não-mínima. Desta forma, uma metodologia especial de projeto é apresentada resultando numa indutância Boost reduzida e numa técnica de controle utilizando um sistema multi-malhas, com alimentação direta, devidamente projetada de forma a possibilitar elevadas dinâmicas de transferência de energia. Adicionalmente, o inversor apresenta tensão de saída com reduzidas distorções harmônicas (DHT), número reduzido de componentes de potência e, consequentemente, elevada densidade de potência. Neste trabalho são apresentadas as análises qualitativa e quantitativa do inversor, a modelagem e técnica de controle proposta, metodologia de projeto, os principais resultados de simulação e experimentais com a finalidade de demonstrar a viabilidade de aplicação da proposta.

This work presents a new methodology for the operation and control of a single-phase current-source Boost Inverter, it is used as base structure for alternative and renewable electric energy sources. The electro/electronics devices normally require eletrical source in AC (alternate current) in different voltage levels and shapes those provided by the alternative and renewable electrical sources. The proposed inverter is an integrated structure able to operate as step-up DC-DC converter and inverter, it presents a reduced number of components, high efficiency when compared with the traditional technique of step-up and inverter for cascade association. The conventional design of current source inverter (CSI) require a large boost inductance, therefore, the small-signal model is similar to continuous-current-mode (CCM) Boost converter, which has a right-half-plane (RHP) zero in its control-to-output transfer function, and this RHP zero causes the well-known non-minimum-phase effects. In this context, a special design with small boost inductance and a multi-loop control is proposed in order to assure stability and very fast dynamics. Furthermore, the inverter presents output voltage with very low total harmonic distortion (THD), reduced number of components and high power density. In addition, this work presents the Boost CSI operation, the proposed control technique, the main simulation and experimental results in order to demonstrate the feasibility of the proposal.