Estudo, projeto e implementação de sistema de energia ininterrupta monofásico de dupla conversão sem transformador

Abstract

Esta dissertação apresenta o estudo, análise, projeto e implementação experimental de um sistema de energia ininterrupta monofásico de dupla conversão, sem a utilização de transformador em baixa frequência, capaz de operar com característica bivolt não automático de tensão de entrada e saída 127 V e 220 V, para uma potência teórica máxima de 3,35 kVA. A escolha da topologia de dupla conversão justifica-se por sua elevada confiabilidade e adequação para operação em ambientes de missão crítica, enquanto a seleção da configuração dos conversores buscou uma solução de baixo custo por meio da minimização do número de dispositivos semicondutores. O estágio de entrada do UPS é composto por um retificador PFC PWM Vienna double booster, responsável pela correção do fator de potência de entrada e pela regulação do barramento CC durante o modo rede. A interface com o banco de baterias é realizada por meio de um conversor CC-CC em ponte completa, com comutação sob tensão nula e modulação PWM por deslocamento de fase (FB-ZVS-PWM-PS) elevador isolado de saída dupla, responsável pela regulação do barramento CC no modo bateria, enquanto o estágio de saída é composto por um inversor fonte de tensão em meia ponte com modulação por largura de pulso (VSI HB PWM), encarregado pelo fornecimento de uma tensão senoidal regulada com baixo conteúdo harmônico. O estudo é conduzido a partir de análises teóricas em regimes estático e dinâmico, abrangendo o dimensionamento dos elementos passivos, a modelagem, o projeto de controle e simulações numéricas de cada conversor. Também é abordada uma metodologia para cálculo dos esforços elétricos, sua comparação com resultados simulados e experimentais e a seleção de dispositivos semicondutores de potência. Por fim, a partir da implementação experimental, são apresentadas curvas de rendimento e resultados individuais dos conversores em malha fechada, sob diferentes características de operação e em diversas potências, alcançando aproximadamente um terço da potência teórica de projeto do UPS. Além disso, são apresentados diversos resultados dos modos de operação bateria e rede do UPS, considerando diferentes faixas de tensão de entrada e saída, banco de baterias e cargas lineares e não lineares. A estratégia de controle implementada manteve o barramento CC estável em todos os modos de operação, alcançou fator de potência de entrada praticamente unitário no modo rede e forneceu tensão de saída com distorção harmônica total inferior a 5% sob cargas lineares e não lineares, em ambas as faixas de tensão e em todos os ensaios realizados.

Abstract: This dissertation presents the study, analysis, design, and experimental implementation of a single-phase double-conversion uninterruptible power system, without the use of a low-frequency transformer, capable of operating with a non-automatic dual-voltage characteristic for input and output voltages of 127 V and 220 V, with a theoretical maximum power of 3.35 kVA. The choice of the double-conversion topology is justified by its high reliability and suitability for operation in mission-critical environments, while the selection of the converter configuration sought a low-cost solution through the minimization of the number of semiconductor devices. The input stage of the UPS consists of a Vienna double-booster PWM PFC rectifier, responsible for input power factor correction and DC bus regulation during grid mode. The interface with the battery bank is implemented by means of an isolated dual-output step-up FB-ZVS-PWM-PS DC-DC converter, responsible for DC bus regulation in backup mode, while the output stage consists of a PWM HB VSI inverter, responsible for supplying a regulated sinusoidal voltage with low harmonic content. The study is conducted based on theoretical analyses under steady-state and dynamic conditions, covering the design of passive elements, modeling, control design, and numerical simulations of each converter. A methodology for calculating electrical stresses, comparing them with simulated and experimental results, and selecting power semiconductor devices is also addressed. Finally, based on the experimental implementation, efficiency curves and individual closed-loop results of the converters are presented under different operating characteristics and at several power levels, reaching approximately one-third of the theoretical UPS design power. In addition, several results are presented for the UPS backup and grid operating modes, considering different ranges of input and output voltages, battery bank, and linear and nonlinear loads. The implemented control strategy kept the DC bus stable in all operating modes, achieved an almost unity input power factor in grid mode, and supplied an output voltage with total harmonic distortion below 5% under linear and nonlinear loads, in both voltage ranges and in all tests performed.