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Modulação space vector para inversores alimentados em tensão: uma abordagem unificada

Pinheiro, Humberto; Botterón, Fernando; Rech, Cassiano; Schuch, Luciano; Camargo, Robinson F.; Hey, Hélio L.; Gründling, Hilton A.; Pinheiro, José R.
2005-03-01

Resumo em português O objetivo deste trabalho é de que ele possa ser utilizado como tutorial da modulação space vector para profissionais da área de Eletrônica de Potência. Nesse sentido, este artigo apresenta uma abordagem unificada para a modulação space vector aplicada a inversores alimentados em tensão. Cinco inversores de tensão são apresentados para exemplificar a metodologia proposta, são eles: inversor monofásico em ponte completa, inversor trifásico a três fios de doi (mais) s e três níveis, inversor trifásico a quatro fios de três e quatro braços. Para cada um dos inversores são apresentados os vetores de comutação, os planos de separação, os planos limites para operação na região linear, bem como algumas possíveis seqüências de comutação. Resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia proposta. Resumo em inglês This paper presents a unified approach of the space vector modulation for voltage-source inverters. To demonstrate the proposed unified approach, five fundamental inverters topologies are analyzed, that are: single-phase full-bridge; three-phase three-wire; three-phase four-wire, three-phase four-leg and three-phase three-level inverters. Switching vectors, separation and boundary planes in the inverter output space as well as decomposition matrices and possible switching (mais) sequences are derived for each one of these inverters. Experimental results are shown to validate the proposed approach.

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Controlador repetitivo para inversores PWM com referência de freqüência variável

Michels, Leandro; Stefanello, Márcio; Gründling, Hilton A.
2009-09-01

Resumo em português Controladores repetitivos têm se mostrado eficazes na rejeição de distúrbios cíclicos em inversores de tensão modulados por largura de pulso. Contudo, observa-se que estes controladores têm seu desempenho comprometido caso seu período não seja sincronizado com o período do sinal de referência, o que restringe o seu uso em aplicações de freqüência variável. Para mitigar este problema, é proposta uma modificação nestes controladores para adequá-los à ap (mais) licações com referência senoidal de freqüência variável. O algoritmo proposto é simples, sendo apenas ajustados o comprimento das memórias circulares e os ponteiros empregados para endereçá-las nos controladores repetitivos convencionais. Resultados experimentais, obtidos em dois protótipos com especifiações distintas, são apresentados para validar a técnica proposta. Resumo em inglês Repetitive controllers have demonstrated efficacy in the rejection of cyclic disturbances in pulse-width modulated voltage-source inverters. However, the performance of these controllers is compromised if their period are not synchronized with the period of the reference signal. This drawback restrict their use in variable frequency applications. In order to mitigate this problem, it is proposed a modification in these controllers to make them suitable for sinusoidal refe (mais) rences with variable frequency. The proposed algorithm is simple given that is only performed a chance in the length of circular buffers and in the pointer used to address them. Experimental results, obtained with two different prototypes, are presented to validate the proposed technique.

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Novos algoritmos de limitação para inversores de tensão PWM a quatro braços utilizando modulação space vector

Camargo, Robinson F. de; Botterón, Fernando; Pinheiro, Humberto; Pinheiro, José R.; Gründling, Hilton; Hey, Hélio
2004-09-01

Resumo em português Este artigo propõe dois novos algoritmos de limitação para inversores de tensão trifásicos a quatro braços. Estes baseiam-se na limitação do vetor de comando dentro da região de operação linear do inversor. O primeiro algoritmo utiliza um elipsóide inscrito no dodecaedro definido pelas extremidades dos possíveis vetores de comutação do inversor, e o segundo é baseado nos planos limites desse poliedro. Uma descrição detalhada, abordando os principais pont (mais) os requeridos para a implementação digital, da modulação space vector e dos algoritmos de limitação são apresentados. Ainda, as tensões de saída e as correntes nos indutores são dinamicamente reguladas, por meio de servo controladores MIMO em eixos síncronos dq0. Estes controladores são projetados usando a técnica do regulador linear quadrático discreto de regime permanente, o qual assegura estabilidade para o sistema em toda a faixa de operação. Além disso, para prover transições suaves entre os diferentes modos de operação do inversor, são propostos algoritmos MIMO não lineares para limitar a sobrecarga da ação integral, quando o vetor de comando for limitado, e atualizar dinamicamente as variáveis dos servo controladores. Finalmente, são apresentados resultados experimentais obtidos de um protótipo de 15 kVA, totalmente controlado por um DSP TMS320F241, para validar os algoritmos propostos e demostrar o desempenho do sistema como um todo. Resumo em inglês This paper proposes two novel limiting algorithms for three-phase four-leg voltage source inverters to constrain the command vector inside the dodecahedron defined by the boundaries of the inverter linear operating range. The first algorithm uses an inscribed ellipsoid on the dodecahedron, and the second one is based on the polyhedron boundary planes. A detailed description, with the key points required for a digital implementation of space vector and limiting algorithms, (mais) is given. In addition, the output voltages and the inductors currents are dynamically regulated by means of MIMO servo controller in dq0 coordinates. These controllers are designed using optimal discrete linear quadratic regulator technique, which ensures stability for the system at all operating conditions. In order to provide smooth transitions among the different modes of operation, nonlinear MIMO anti-windup algorithms are proposed to dynamically update the controllers servo variables. Finally, experimental results on a 15 kVA PWM inverter fully controlled by a DSP controller, TMS320F241, has been used to validate the feasibility of the proposed algorithm and to demonstrate the performance of the overall system.

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Análise para pequenos sinais de um sistema ca composto de inversores conectados em paralelo

Coelho, Ernane Antônio Alves; Cortizo, Porfírio Cabaleiro; Garcia, Pedro Francisco Donoso
2002-08-01

Resumo em português Este trabalho mostra a análise de estabilidade para pequenos sinais de um sistema CA composto de vários inversores de tensão conectados em paralelo sem a presença de uma barra infinita. O controle de cada unidade inversora é baseado nas curvas características frequência versus potência ativa e tensão versus potência reativa, o qual não depende da comunicação entre as respectivas unidades de controle. Os resultados de simulação e experimentais comprovam a eficácia do modelo para pequenos sinais, facilitando os estudos de estabilidade do sistema. Resumo em inglês This paper presents the small signal analysis for parallel connnected inverters in stand-alone AC supply systems. The control technique of the inverters is based on frequency and voltage droops, which depends on the local variable measurements and do not need control interconnections. Simulation and experimental results show that system is well represented by the small signal model, which becomes stability studies easier.

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Uma metodologia de projeto generalizada para inversores multiníveis híbridos

Rech, Cassiano; Gründling, Hilton A.; Hey, Hélio L.; Pinheiro, Humberto; Pinheiro, José R.
2004-06-01

Resumo em português A utilização de inversores multiníveis híbridos possibilita reduzir o número de inversores conectados em série para um determinado número de níveis, minimizar a THD da tensão de saída e, conseqüentemente, reduzir ou até mesmo eliminar o filtro de saída. Desta forma, este artigo realiza uma análise detalhada e propõe uma metodologia de projeto generalizada para inversores multiníveis híbridos. Com a metodologia de projeto proposta pode-se definir o número (mais) de módulos conectados em série, o valor da fonte de tensão de cada módulo, a fim de minimizar a energia circulante entre os inversores conectados em série, e também a freqüência de comutação do módulo de menor potência. Resumo em inglês With the use of hybrid multilevel inverters it is possible to reduce the number of series-connected cells for a given number of levels, to minimize the THD of the output voltage and, consequently, to reduce or even eliminate the output filter. Therefore, this paper develops a detailed analysis and proposes a generalized design methodology for hybrid multilevel inverters. With the proposed design methodology it is possible to define the number of series-connected cells, th (mais) e value of the DC voltage source of each cell, to minimize the circulating energy among the series-connected inverters, and the switching frequency of the lowest power cell.

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Metodologia de projeto de filtros de segunda ordem para inversores de tensão com modulação PWM digital

Michels, Leandro; Camargo, Robinson F. de; Botterón, Fernando; Pinheiro, Humberto
2005-06-01

Resumo em português Este artigo apresenta uma metodologia sistematizada de projeto de filtros de saída de segunda ordem para inversores que sintetizam tensões senoidais através de modulação por largura de pulso (PWM) digital. O propósito desta metodologia é o de determinar os parâmetros do filtro que assegure a especificação da máxima taxa de distorção harmônica total (THD) admissível nas tensões de saída do inversor PWM, para cargas lineares e não-lineares. A metodologia p (mais) roposta é discutida em detalhes, incluindo a descrição das etapas necessárias para a derivação do procedimento de projeto para diferentes topologias de inversores de tensão e o procedimento para obtenção das curvas necessárias para o projeto. Finalizando, são apresentados alguns exemplos de projeto para topologias de inversores monofásicos e trifásicos com saída a três fios e a quatro fios. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a validade da metodologia de projeto proposta. Resumo em inglês This paper presents a systematized methodology of second-order output filter for inverters that synthesize sinusoidal voltage waveforms through digital pulse-width modulation (PWM). The objective of this methodology is to determine the largest corner frequency of the filter that ensure the specification of the maximum total harmonic distortion (THD) admissible in the output voltages of the PWM inverter, for linear and non-linear loads. The proposed methodology is discusse (mais) d in detail, including the description of the required steps for the derivation of the design procedure for different topologies of voltage inverters and the procedure to obtain the design curve. Finally, it is presented some design examples for single-phase, three-phase three-wire and three-phase four-wire filters topologies. Experimental results have been provided to demonstrate the validity of the proposed design methodology.

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Projeto e implementação de um controlador de corrente robusto para inversores com filtro LCL conectados à rede com incertezas paramétricas

Gabe, Ivan Jorge; Massing, Jorge Rodrigo; Montagner, Vinícius Foletto; Grigoletto, Felipe Bovolini; Pinheiro, Humberto
2009-03-01

Resumo em português Este artigo trata do projeto e implementação de um controlador discreto de corrente para um inversor trifásico alimentado em tensão e conectado à rede através de um filtro LCL, geralmente encontrado em sistemas de geração eólica. Primeiramente, é desenvolvido um teorema que relaciona a controlabilidade da equação dinâmica discreta, que representa o comportamento do conversor conectado à rede, aos parâmetros do filtro e a freqüência de amostragem do sistem (mais) a. Então é derivada uma condição para a obtenção dos ganhos de retroação parcial robusta de estados baseada em desigualdades matriciais lineares. Este controlador garante a estabilidade e o amortecimento ativo da ressonância do filtro LCL conectado à rede, mesmo com incertezas paramétricas no ponto de conexão sem a necessidade de procedimentos de auto-sintonia ou algoritmos adaptativos. Finalmente, um controlador com modelo interno é adicionado a fim de prover rastreamento assimptótico da referência e rejeição do distúrbio, diminuindo significativamente o impacto dos distúrbios harmônicos de baixa freqüência da tensão da rede nas correntes de saída. Resultados experimentais e de simulação são apresentados para dar suporte a análise teórica desenvolvida bem como para demonstrar o desempenho do sistema. Resumo em inglês This paper addresses the design and implementation of a discrete controller for grid connected voltage source inverters with LCL-filter usually found in wind power generation systems. First a theorem that relates the controllability of the discrete dynamic equation of the inverter with LCL-filter and the sampling frequency is derived. Then, a condition to obtain a robust partial state feedback controller based on linear matrix inequalities is proposed. This controller gua (mais) rantees the stability and damping of the LCL-filter resonance for a large set of grid conditions without requiring self-tuning procedures. Finally, an internal model controller is added to ensure asymptotic reference tracking and disturbance rejection, therefore reducing significantly the impact of grid background voltage distortion on the output currents. Simulation and experimental results are presented to support the theoretical analysis and to demonstrate the system performance.

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Investigação de variável adequada ao controle automático de vazão sem uso de sensores em campos irrigados por meio de análise multivariada/ Investigation of variable appropriately to the automatic flow control without the use of sensors in fields irrigated by means of multivariate analysis

Canafístula, Francisco José Firmino; Lopes, Fernando Bezerra; Soares, Rogério Barbosa; Andrade, Eunice Maia de; Teixeira, Adunias dos Santos
2010-11-01

Resumo em português Utilizar inversores no controle de vazão de sistemas de bombeamento por meio da variação de sua velocidade pode ter uma maior viabilidade, caso o custo de sensores seja minimizado. Este trabalho investiga, por intermédio de análise multivariada, uma variável adequada ao pseudocontrole da vazão de um sistema de irrigação que economize o uso de sensores e simplifique o sistema de controle. Uma bancada de ensaio para coleta dados foi montada no laboratório e os dad (mais) os foram processados no Statistical Package for the Social Sciences (SPSS). A análise de agrupamento hierárquico utilizando o método de Ward com base na distância euclidiana quadrática mostrou um grupo composto de quatro variáveis, estando presente nesse grupo a vazão, voltas no registro, altura do nível de água da calha parshall e a corrente elétrica, indicativo de que a corrente elétrica pode ser usada para o pseudocontrole, pois o inversor mede essa variável. A análise fatorial também indicou uma forte correlação da corrente elétrica com a vazão do sistema. A pressão foi o parâmetro da primeira componente da análise fatorial que apresentou a maior correlação com a vazão, no entanto o uso dessa variável para o controle automático demanda o uso de sensores. Resumo em inglês Using inverters to control flow of pumping systems by means of changes in speed may be more viable if the cost of sensors is minimized. This work investigates through multivariate analysis an adequate variable for the pseudo control of the flow of an irrigation system that saves the use of sensors and simplifies the control system. A bench test to collect data was mounted in the laboratory and the data were processed using Statistical Package for the Social Sciences (SPSS (mais) ). The hierarchical cluster analysis using the Ward method based on the squared Euclidean distance showed a group composed of four variables, being present in that group flow, turns on the register, water level of the Parshall weir and electric current, indicating that the electric current can be used for pseudo control because the inverter measures this variable. The factor analysis also indicated a strong correlation between the electric current and the system flow. In the first Principal Component, the pressure showed the highest correlation with the flow, although the use of this variable for automated control requires the use of sensors.

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