Família de inversores monofásicos elevadores a dois interruptores e com referência comum

Abstract

Essa dissertação apresenta a proposta de três novas topologias de inversores monofásicos a dois interruptores com terra comum derivados dos conversores básicos não isolados. Primeiramente, faz-se uma breve revisão bibliográoca das classiocações de inversores monofásicos quanto às suas construções e alguns últimos avanços presentes na literatura em topologias de mesmo tipo da proposição. Em seguida, realiza-se a derivação das topologias identiocadas nesse trabalho como inversor Buck, Buck-Boost e Boost. Propõe-se a linearização estática dos ganhos estáticos dos inversores de maneira a se obter as expressões de tensão de saída compostas, idealmente, apenas pela componente de frequência senoidal almejada. Depois, são apresentadas as etapas de operação dos inversores, sendo derivadas suas respectivas expressões de valores médios quase instantâneos de suas grandezas elétricas. Também são calculadas as expressões de esforços, sendo validadas por cálculo numérico e simulação. Durante projeto, é proposta uma metodologia analítica de cálculo de perdas de comutação em MOSFETs e diodos aplicados a inversores. Ademais, realiza-se a modelagem dinâmica média do inversor Boost por meio de equações diferencias, cujo modelo é validado por simulação. Com isso, é proposta a aplicação de uma estratégia de linearização dinâmica aplicada ao controle do inversor Boost, também sendo validada via rejeição de perturbação e rastreamento de referência. Por último, é projetado e testado um protótipo de inversor Boost com especiocação técnica de tensão de entrada de 100 V, valor eocaz de tensão de saída de 110 V, máxima ondulação de corrente no indutor de 20 %, máxima ondulação de tensão na saída de 2,5 %, frequência fundamental da tensão de saída de 60 Hz, frequência de comutação de 100 kHz e potência nominal de 250 W. Logo, obtém-se um rendimento máximo do protótipo de 94,78 % e THD de 11,57 % em plena carga, Por om, discute-se a inruência do tempo morto na distorção harmônica de tensão desses inversores operando em malha aberta.

Abstract: This dissertation presents the proposal of three new topologies of single-phase inverters with two switches, common grounded, derived from the non-isolated basic converters. First, a brief bibliographical review of the classiocations of single-phase inverters is carried out regarding their constructions and some recent advances in the literature about topologies of the same structures. Then, the derivation of the topologies identioed in this work as Buck, Buck-Boost and Boost inverters is performed. It is proposed the static linearization of the static gains of the inverters in order to obtain the output voltage expressions composed, ideally, only by the desired sinusoidal frequency component. Afterwards, the operation steps of the inverters are presented, and their respective expressions of averaged values of their electrical variables are derived. Electrical stresses expressions are also calculated, being validated by numerical calculation and simulation. Furthermore, the average dynamic modeling of the Boost inverter is carried out by means of differential equations, whose model is validated by simulation. Therefore, it is proposed the application of a dynamic linearization strategy applied to the Boost inverter control, also being validated via disturbance rejection and reference tracking. Finally, a prototype inverter Boost is designed and tested with technical speciocation of input voltage of 100 V, output voltage of 110 V rms, maximum current ripple in the inductor of 20 %, maximum voltage ripple at the output of 2.5 %, fundamental frequency of the output voltage of 60 Hz, switching frequency of 100 kHz and nominal power of 250 W. During design, an analytical methodology for calculating switching losses in MOSFETs and diodes is proposed applied to inverters. Therefore, a maximum efficiency of the prototype of 94.78 % and THD of 11.57 % at full load is obtained. Finally, the inruence of dead time on the voltage harmonic distortion of these inverters operating in open loop is discussed.