Pesquisa · Eletrônica de potência

Conversores de Potência

Modelagem, identificação e controle de conversores de potência — do conversor Buck ao inversor trifásico conectado à rede, ao gerador DFIG e às microrredes —, da simulação ao firmware na plataforma LAUNCHXL-F28379D.

Prof. Dr. Raphael Teixeira · UFPA, Campus de Tucuruí

Vinculado ao projeto de pesquisa Identificação, Estimação e Controle Baseados em Dados e Inteligência Computacional Aplicados a Conversores de Potência e Acionamentos Elétricos. Cada sistema percorre a mesma sequência: modelo → simulação → firmware → ensaio na bancada → identificação → controle (clássico, preditivo e baseado em dados).

Conversor Buck

Fonte CC controlada baseada em conversor Buck (30 V → 10 V, chave única e diodo): a LaunchPad comanda a razão cíclica pelo PWM e mede a tensão de saída no ADC. Iniciação científica de Kauã dos Santos Oliveira — plano de trabalho (PDF assinado).

Modelagem e projeto

Ensaios na bancada

  • Identificação do conversor Buck — escolha de \(T_s\) e da duração do bit da PRBS, identificação ARX(2,2,2) e validação, simuladas em MATLAB.
  • Projeto do controlador PI (Buck/Ensaios/ControleBuck/analise/projeto_pi.m) — em preparação.

Etapas 3–8 do plano (simulação Simulink, bancada, identificação, controladores PI/PI tipo 2/MPC, testes embarcados e redação final) entram aqui conforme o andamento da IC.

Firmware

Projetos do Code Composer Studio em Buck/Firmware/ (descompactar o .zip, abrir a pasta com File → Open Folder e fazer Clean + Rebuild). A placa e o primeiro projeto no CCS estão na nota da LaunchPad.

Projeto Ensaio Código
BK01Degrau malha aberta: rampa até 10 V e onda quadrada 10 ↔︎ 12 V, PWM de 20 kHz, \(T_s\) = 50 µs .zip · GitHub
PWM_prbs malha aberta: PRBS de 9 bits na razão cíclica, \(T_b\) = 200 µs, \(T_s\) = 50 µs .zip · GitHub

Inversor trifásico

Inversor fonte de tensão (VSI) trifásico de dois níveis: LAUNCHXL-F28379D + BOOSTXL-3PHGANINV (GaN, 12 a 60 V, sensores de corrente INA240 com shunt de 5 mΩ). Primeiro com carga RL na bancada, depois conectado à rede em simulação. A numeração VSINN é a mesma no firmware e nas simulações.

Carga RL — iniciação científica

Iniciação científica de Alessandra Gabrielly Costa de Sousa: modelagem, identificação e controle clássico e preditivo do inversor alimentando uma carga RL trifásica equilibrada — plano de trabalho (PDF assinado).

Ensaios na bancada

Carga RL trifásica em estrela (R = 4,7 Ω e L = 1 mH por fase).

Firmware

Projetos do Code Composer Studio em InversorTrifasico/Firmware/.

Projeto Ensaio Código
VSI01MalhaAberta só o chaveamento: 50 % nas três fases, 25/50/75 % e senoidal, PWM de 20 kHz, tempo morto de 100 ns; grava as tensões das fases; roteiro em TUTORIAL.md .zip · GitHub
VSI01MalhaAbertaSemGravacao a mesma versão sem a gravação das tensões, testada na placa em 23/10/2026 .zip · GitHub
VSI02ControleCorrente corrente da carga RL: PWM de 50 %, malha aberta, PI em dq com desacoplamento e identificação (PRBS, degrau, multisseno); comandos pela UART .zip · GitHub

Conectado à rede — simulação

Simulações MATLAB/Simulink do VSI conectado à rede por um filtro L, comparando sobre a mesma planta o PI clássico, o controle preditivo de conjunto finito (MPC-FSC) e técnicas baseadas em dados. Nas coordenadas \(\alpha\beta\), discretizando por Euler com período \(T_s\):

\[ \mathbf{i}(k+1) = \left(1 - \frac{R_s T_s}{L_s}\right)\mathbf{i}(k) + \frac{T_s}{L_s}\big(\mathbf{v}(k) - \mathbf{v}_g(k)\big), \qquad P + jQ = \tfrac{3}{2}\,\mathbf{v}_g\,\mathbf{i}^* , \]

com \(\mathbf{v}\) um dos 8 vetores de chaveamento. Parâmetros nominais em Comum/Parametros.m: \(T_s \approx 20{,}8\,\mu\)s (48 kHz), \(V_{cc}\) = 350 V, rede de 110 V/60 Hz, \(R_s\) = 0,1 Ω, \(L_s\) = 10 mH; os da bancada (40 V, 20 kHz) ficam na struct Bancada.

Etapa Estratégia Status
VSI01 — Malha aberta senoides trifásicas sem realimentação (bancada) simulação pronta (firmware precisa de correção)
VSI02 — Controle de corrente PI PI em \(dq\) planejada
VSI03 — Controle de potência PI malhas de \(P\)/\(Q\) externas ao PI de corrente planejada
VSI04 — Controle de corrente MPC MPC-FSC de corrente (Rodríguez et al., 2007) planejada
VSI05 — Controle de potência MPC-FSC MPC-FSC de potência direta simulação pronta
VSI06 — Identificação ARX (RLS) ARX de \(i_\alpha\), \(i_\beta\) estimado por RLS simulação pronta
VSI07 — Controle RST via ARX RST projetado sobre o ARX identificado planejada
VSI08 — MPC adaptativo (RLS) RLS → ARX → MPC-FSC em linha em andamento
VSI09 — Aprendizagem por reforço agente DQN no lugar do MPC-FSC em andamento
  • Nota 01 — Malha aberta do VSI na bancada — slides: a bancada, o modelo com carga RL, dimensionamento pelos limites da placa, amostragem e atraso, tempo morto, os modelos Simulink do VSI01 contra a teoria e o roteiro da primeira energização.

Para rodar (MATLAB R2024a, Simscape Electrical; VSI09 precisa da Reinforcement Learning Toolbox), a partir de InversorTrifasico/ConectadoRede/:

IniciarProjeto   % Comum/ no path; caches do Simulink em cache/
Parametros       % Ts, Vcc, Vg, Rs, Ls, C e a matriz de Clarke no workspace
open_system('VSI05ControlePotenciaMPC/MPCFSC.slx')

Depois de editar um bloco MATLAB Function, rode python3 scripts/extrai_blocos.py para atualizar a cópia em texto em VSINN*/blocos/ (deixa a lei de controle visível no git diff).

Gerador de indução duplamente alimentado (DFIG)

Controle preditivo de conjunto finito (FCS-MPC) dos conversores back-to-back de um DFIG, com o modelo de predição identificado por ARX e uma estratégia adaptativa por RST.

Microrredes

Sistemas elétricos de pequeno porte que agregam geração distribuída, armazenamento e cargas sob controle coordenado, conectados à rede ou ilhados. Como quase tudo se conecta por conversores de potência, a microrrede junta eletrônica de potência, controle clássico e preditivo e controle baseado em dados. Objetivos: arquiteturas CA/CC/híbridas; conversores formadores (grid-forming) e seguidores (grid-following) de rede; controle hierárquico (droop, secundário, terciário); MPC e controle baseado em dados (DeePC, Koopman); validação em simulação e depois na bancada C2000.

  • Nota 01 — Introdução às microrredes — da rede convencional à microrrede: PCC, conversores como interface, controle centralizado/descentralizado/distribuído, arquiteturas, formadores e seguidores de rede, fluxo de potência, droop e controle hierárquico.
  • Nota 02 — Controle descentralizado e hierárquico (rascunho) — papéis dos conversores, droop para linhas quaisquer, impedância virtual, estabilidade de pequenos sinais, ilhamento e reconexão (Guerrero et al., 2013).

Referências

  • Dilger (2018) — Desenvolvimento de uma Fonte Chaveada para Uso em Laboratório de Graduação (TCC, UTFPR).
  • Erickson, R. W.; Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics. 2ª ed. Springer, 2001.
  • Holmes, D. G.; Lipo, T. A. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. Wiley-IEEE Press, 2003.
  • Rodríguez, J.; Pontt, J.; Silva, C. A.; Correa, P.; Lezana, P.; Cortés, P.; Ammann, U. Predictive current control of a voltage source inverter. IEEE Trans. Industrial Electronics, v. 54, n. 1, p. 495–503, 2007.
  • Rodríguez, J.; Cortés, P. Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives. Wiley-IEEE Press, 2012.
  • Kazmierkowski, M. P.; Malesani, L. Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters: A survey. IEEE Trans. Industrial Electronics, v. 45, n. 5, 1998.
  • Krause, P. C. et al. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems. 3ª ed. Wiley-IEEE Press, 2013.
  • Aguirre, L. A. Introdução à Identificação de Sistemas. 4ª ed. Editora UFMG, 2015.
  • Texas Instruments. LAUNCHXL-F28379D e BOOSTXL-3PHGANINV — User’s Guides.
  • Wolfspeed. CCB021M12FM3 — 1200 V, 21 mΩ SiC six-pack power module. Datasheet.
  • Lasseter, R. H. MicroGrids. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2002.
  • Hatziargyriou, N. et al. Microgrids. IEEE Power and Energy Magazine, v. 5, n. 4, 2007.
  • Guerrero, J. M. et al. Advanced control architectures for intelligent microgrids — Part I: decentralized and hierarchical control. IEEE Trans. Industrial Electronics, v. 60, n. 4, 2013.
  • Guerrero, J. M. et al. Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids — a general approach toward standardization. IEEE Trans. Industrial Electronics, v. 58, n. 1, 2011.
  • Rocabert, J. et al. Control of power converters in AC microgrids. IEEE Trans. Power Electronics, v. 27, n. 11, 2012.
  • Olivares, D. E. et al. Trends in microgrid control. IEEE Trans. Smart Grid, v. 5, n. 4, 2014.

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