Conversor CA/CA direto para regulação da tensão aplicado a um transformador monofásico híbrido

Abstract

Este trabalho apresenta a modelagem, o projeto e a validação experimental de um conversor CA/CA direto do tipo ponte completa destinado à regulação da tensão eficaz em um transformador híbrido monofásico. A topologia proposta conecta o conversor ao enrolamento auxiliar do transformador, que processa aproximadamente 25% da potência nominal, permitindo operar como somador ou subtrator de tensão enquanto o enrolamento principal permanece ligado diretamente à carga, o que possibilita a utilização de semicondutores e elementos passivos de menor porte e contribui para a redução do volume e da complexidade do módulo do conversor CA/CA. O trabalho apresenta os fundamentos e configurações dos transformadores híbridos, bem como as vantagens e limitações das abordagens CA/CA diretas, seguido da análise qualitativa e quantitativa da topologia e do desenvolvimento da modelagem orientada ao controle necessária para a regulação da tensão. A validação é realizada por meio de simulações e de um protótipo experimental construído com um transformador de 2 kVA e um módulo eletrônico dimensionado apenas para a potência auxiliar requerida. Os ensaios em regime CC e CA confirmam o funcionamento bidirecional do conversor e a capacidade de regular a tensão eficaz na carga. Os resultados demonstram a viabilidade da topologia proposta para aplicação em transformadores híbridos, evidenciando benefícios como a ausência de barramento CC, a menor quantidade de componentes, a não necessidade de sincronismo com a rede e os esforços reduzidos nos semicondutores, permitindo o uso de dispositivos de menor tensão e corrente.

Abstract: This work presents the modeling, design, and experimental validation of a direct AC/AC full-bridge converter intended for the regulation of the root-mean-square (RMS) voltage in a single-phase hybrid transformer. The proposed topology connects the converter to the transformer auxiliary winding, which processes approximately 25% of the rated power, allowing operation as a voltage adder or subtractor while the main winding remains directly connected to the load. This configuration enables the use of semiconductor devices and passive components with reduced ratings, contributing to a reduction in the volume and complexity of the AC/AC converter module. The work presents the fundamentals and configurations of hybrid transformers, as well as the advantages and limitations of direct AC/AC approaches, followed by a qualitative and quantitative analysis of the proposed topology and the development of a control-oriented model required for voltage regulation. Validation is performed through simulations and an experimental prototype built using a 2 kVA transformer and an electronic module sized only for the required auxiliary power. Tests under DC and AC operating conditions confirm the bidirectional operation of the converter and its ability to regulate the RMS voltage at the load. The results demonstrate the feasibility of the proposed topology for application in hybrid transformers, highlighting benefits such as the absence of a DC link, a reduced number of components, no requirement for grid synchronization, and reduced electrical stress on semiconductor devices, enabling the use of devices with lower voltage and current ratings.