Ensaio de controladores de alto desempenho para sistemas UPS : interface de acionamento de cargas lineares e não lineares por computador

Abstract

Este trabalho aborda os requisitos de desempenho de fontes ininterruptas de energia (do inglês Uninterruptible Power Supply - UPS) de acordo com normas e padrões internacionais como o CSA 813.1 e a norma IEC 62040. O projeto busca analisar as características de regime permanente e resposta transitória de controladores de alto desempenho projetados para sistemas UPS e concluir se estes controladores cumprem os requisitos estabelecidos nas normas aplicáveis. Um protótipo de UPS com potência nominal de 3,5 kVA é submetido aos testes previstos nas normas para avaliar o desempenho do sistema de controle de saída do inversor. Inicialmente, projeta-se um sistema de cargas lineares e não lineares acionável por computador que permite realizar adequadamente os ensaios previstos nas referidas normas. As cargas são dimensionadas conforme as especificações e acionadas através do sistema implementado utilizando a interface de prototipação para sistemas de controle dSpace DS1104. Para possibilitar uma análise mais detalhada dos resultados, os controladores ressonante e repetitivo, assim como sua atuação em paralelo, são estudados e descritos previamente a serem submetidos aos testes. São realizadas simulações computacionais do sistema, através do software MATLAB/Simulink e da aplicação PSIM, para possibilitar a comparação dos resultados. Por fim, o protótipo operando com o controlador ressonante é submetido aos testes para caracterização da sua resposta em regime permanente, operando a vazio e com carga plena, para análise da regulação de tensão e frequência, distorção harmônica total e razão das componentes harmônicas em relação à componente fundamental. As características da resposta dinâmica do controlador ressonante são verificadas a partir da inserção de degraus de carga linear e não linear para determinar se a resposta satisfaz os critérios estabelecidos nas normas. O sistema proposto para o acionamento das cargas mostra-se funcional, atendendo aos requisitos e proporcionando praticidade e segurança durante os ensaios. O controlador ensaiado recebe a classificação de acordo com a norma IEC 62040-3.

This work covers the performance requirements of uninterruptible power supplies according to international standards, such as CSA 813.1 and IEC 62040. The project aims to analyse the steady state characteristics and transient response of high performance controllers designed for UPS systems and conclude if these controllers fulfil the requirements expressed in the relevant standards. A UPS prototype with a nominal power ratio equal to 3.5 kVA is put under the standard tests to evaluate the performance of its output control system. Firstly, a PC controllable system of linear and non-linear loads is designed to allow performing the tests safely and correctly in accordance with the referred standards. The loads are designed within the specifications and actuated using an interface implemented on the prototyping board dSpace DS1104. To enable a detailed analysis of results, resonant and repetitive controllers, as well as their parallel implementation, are covered and described before the tests. Computational simulations of the systems are performed using the software MATLAB/Simulink and the tool PSIM, in order to compare the results. Then, the actual prototype running with the resonant controller is tested to evaluate its steady state response with no load and full load and analyse its voltage and frequency regulation and the Total Harmonic Distortion, as well as the ratio of each harmonic component to the fundamental. The dynamic response characteristics of the resonant controller are verified through the application of linear and non-linear step loads to determine if the response meets the standards. The proposed actuation system for the loads is fully functional and complies with the desired device, providing ease of use and safety during the tests. The controller tested is classified according to standard IEC 62040-3.