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Título: Análise de topologias de inversores integrados monofásicos empregando conversores zeta e cuk
Título(s) alternativo(s): Analysis of topologies of single-phase integrated inverters employing zeta and cuk converter
Autor(es): Dionizio, Anderson Aparecido
Orientador(es): Sampaio, Leonardo Poltronieri
Palavras-chave: Conversores de corrente elétrica
Eletrônica de potência
Inversores elétricos
Electric current converters
Power electronics
ectric inverters
Data do documento: 16-Fev-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: DIONIZIO, Anderson Aparecido. Análise de topologias de inversores integrados monofásicos empregando conversores zeta e cuk. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2023.
Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo e análise de três topologias distintas de inversores integrados monofásicos, os quais podem atuar em sistemas autônomos ou como conversores de interface entre o sistema de geração fotovoltaica (FV) e a rede elétrica de distribuição em corrente alternada (CA) monofásica. A primeira topologia, nomeada como I2ZM, é baseada na associação de dois conversores Zeta modificados. A segunda estrutura, nomeada como ICIM, é formada pela associação de conversores CC/CC Ćuk modificados. Já a terceira topologia, nomeada de IHZC, integra as características presentes em conversores do tipo Zeta e do tipo Ćuk. Os inversores integrados em análise apresentam quatro interruptores de potência associados em série com quatro diodos de potência, garantindo fluxo de corrente unidirecional. Dentro os quatro interruptores, dois atuam no semiciclo positivo da saída CA, enquanto os outros dois atuam no semiciclo negativo. De acordo com o funcionamento dos interruptores de potência é possível modelar a estrutura por meio de um circuito equivalente, o qual apresenta comportamento estático e dinâmico similar ao de seus conversores CC/CC tradicionais. As estruturas integradas em análise são projetadas para operarem no modo de condução descontínua, apresentando três etapas de operação para cada período de chaveamento. Neste contexto, são analisados os comportamentos de tensões e correntes para os principais componentes empregados na implementação das topologias, destacando as diferenças, vantagens e desvantagens entre cada um dos inversores integrados analisados. Por meio do equacionamento matemático, as respectivas funções de transferência dos inversores integrados são determinadas, analisadas e comparadas. A partir do equacionamento das topologias e de suas respectivas funções de transferência, controladores do tipo Proporcional Integral são projetados, tanto para o controle da tensão de saída no sistema autônomo quanto para o controle da corrente de saída quando operando como conversor de interface entre um arranjo FV e a rede elétrica. Quando as topologias são empregadas em sistemas autônomos, a tensão de saída é controlada por uma única malha, a qual atua diretamente na razão cíclica, necessitando de uma quantidade reduzida de sensores. Por outro lado, quando as topologias são empregadas em sistemas conectados à rede elétrica é adotada estratégia de controle multi-malhas, a qual é formada por uma malha externa de tensão, responsável por extrair a máxima potência disponível no arranjo FV, enquanto a malha interna é responsável por controlar a corrente a ser injetada na rede elétrica. Para o sincronismo entre a corrente de saída dos inversores com a tensão da rede elétrica. Um sistema de atracamento de fase (PLL) é utilizado. Já para o seguimento do ponto de máxima potência dos arranjos FV é adotado o algoritmo Perturbe e Observe (P&O). Por meio de simulações e resultados experimentais, a viabilidade e desempenho das topologias de inversores integrados são analisados e avaliados, bem como comparadas entre si por meio da análise de critérios de qualidade de energia elétrica, como a distorção harmônica total (DHT) de tensão em sistemas autônomos e a DHT de corrente para sistemas conectados à rede elétrica.
Abstract: This master's thesis presents the study and analysis of three distinct topologies of integrated single-phase inverters, which can operate in autonomous systems or as interface converters between the photovoltaic (PV) generation system and the single-phase alternating current (AC) distribution grid. The first topology, named as I2ZM, is based on the association of two modified Zeta converters. The second structure, named as ICIM, is formed by the association of modified DC/DC Ćuk converters. The third topology, named as IHZC, integrates the characteristics of Zeta and Ćuk converters. The integrated inverters under review employes four power switches associated in series with four power diodes, guarantying uniderectional current flow. Among the four switches, two of them operate on the positive half-cycle of the AC output, while the other two operate on the negative half-cycle. According g the operation of the power switches, it is possible to model the structure by means of an equivalent electrical circuit, which presents static and dynamic behavior similar to that of its traditional DC/DC converters. The design of the integrated topologies under analysis makes them operate in discontinuous conduction mode, presenting three stages of operation for each switching period. In this context, the study of the behavior of voltages and currents for the main components used to implement topologies highlights the differences, advantages, and disadvantages between the integrated inverters. The mathematical equation determines the respective transfer functions of the integrated inverters, which can be analyzed and compared to each other. From the equation of topologies and their respective transfer functions, Proportional- Integral controllers are tunning to control the output voltage in the autonomous system and the output current when operating as an interface converter between a PV arrays and the mains. When the topologies are employed in autonomous systems, theirs output voltage are controlled by a single voltage loop, which acts directly on the duty cycle used in the integrated inverter, requiring a reduced number of sensors. On the other hand, when the topologies are used for grid-connected systems, a multi-loop control strategies are adopted, formed by an external voltage loop, responsible for extracting the maximum power available in the PV array. In contrast, the internal loop is responsible for controlling the current to be injected into the mains. For the synchronization between the output current of the inverters with the mains voltage, a phase locked loop (PLL) system is employed, while the tracking of the maximum power point of the PV arrays is performed by the Perturb and Observe algorithm (P&O). By means of simulations and experimental results, the feasibility and performance of integrated inverter topologies are analyzed and evaluated, as well as the topologies are compared to each other through the analysis of power quality criteria, such as total harmonic distortion (THD) of the output voltage when operating in stand-alone systems and the THD of the injected current for grid-connected systems.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32010
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