Controlador múltiplo-ressonante de ganho finito aplicado a fontes ininterruptas de energia

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo sobre controladores múltiplo-ressonantes de ganho finito aplicados a fontes ininterruptas de energia (Uninterruptible Power Supplies - UPSs). Primeiramente, as normas que parametrizam esses sistemas e o dimensionamento das cargas de referência utilizadas nos ensaios são analisados. Em especial, será estudado o sinal de corrente característico da carga não-linear de referência, composta por um circuito retificador e um filtro capacitivo, quando alimentada por uma tensão senoidal livre de distúrbios. A expressão analítica da corrente drenada por essas cargas é calculada a fim de determinar a distorção harmônica individual de cada componente harmônica de corrente, através da série exponencial de Fourier. Então, é possível determinar o limite mínimo de atenuação das harmônicas de corrente com base na norma IEC 62040-3 para uma classe de UPSs de diferentes potências. Esse limite possui relação com o valor dos coeficientes de amortecimento presentes na formulação dos controladores múltiplo-ressonantes de ganho finito. Após definição desses parâmetros, a sintonia do controlador é realizada com base numa abordagem por alocação de polos para projetar os ganhos de realimentação usando a equação diofantina. Um conjunto de equações são derivadas comparando o polinômio característico e o polinômio característico desejado do sistema em malha fechada, permitindo projetar diretamente os controladores de forma simples e sistemática. Os coeficientes do primeiro são dependentes dos parâmetros do inversor a ser controlado, dos coeficientes de amortecimento e dos ganhos de realimentação de uma determinada UPS. Os coeficientes do segundo são determinados a priori através de restrições na forma de Desigualdades Matriciais Lineares (Linear Matrix Inequalities - LMIs) para uma UPS de referência. Os limites estabelecidos e a estratégia de sintonia proposta foram validados por meio de resultados de simulação e experimentais em UPSs de 0;8 kVA e 3;5 kVA.

This work presents a study about finite-gain multiple-resonant controller applied to Uninterruptible Power Supplies (UPSs). The objective is derive an analytical model of the current signal characteristic of a nonlinear reference load and calculate the harmonic components through the Exponential Fourier Series. Then, this model is used to determine the closed-loop attenuation limit of each harmonic based on the limits imposed by the IEC 60240-3 standard. These limits are used to define the damping coefficient values for each resonant controller modes. Controller tuning is performed based on a pole placement approach to design the feedback gains using the Diophantine equation. A set of equations are derived by comparing the characteristic polynomial and the desired characteristic polynomial of the closed-loop system, allowing the controller to be designed in a simple and systematic way. The coefficients of the first polynomial are dependent on inverter parameters to be controlled, damping coefficients and feedback gains of a specific UPS. The coefficients of the second polynomial are determined a priori by solving an optimization problem under Linear Matrix Inequalities (LMIs) constraints for a reference UPS. The limits established and the proposed tuning strategy are validated through simulation and experimental results obtained with a UPS of 0;8 kVA and 3;5 kVA.