CONVERSOR TRIFÁSICO CA-CC MULTIPULSOS DE 6 KVA COM

XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
CONVERSOR TRIFÁSICO CA-CC MULTIPULSOS DE 6 KVA COM ESTÁGIO ELEVADOR DE
TENSÃO E CONTROLE POR HISTERESE CONSTANTE
RODOLFO C. FERNANDES, FALCONDES J. M. DE SEIXAS, PRISCILA S. OLIVEIRA
UNESP – Univ. Estadual Paulista, Laboratório de Eletrônica de Potência, Depto. de Engenharia Elétrica
Avenida José Carlos Rossi, 1370, CEP 15385-000, Ilha Solteira - SP
[email protected]
Abstract
 This work proposes a three-phase 18-pulse AC-DC converter with high power factor based on Delta-differential autotransformer, which is an non-isolated topology but has the advantage to result in reduced weight and volume when compared to conventional isolated shifting transformers. The designed autotransformer provides three three-phase voltage systems properly shifted by
20o to be connected to the diode rectifier bridges. These bridges are connected to boost DC-DC stages (250 V to 400 V) with switching imposed by the hysteresis control technique. Using a constant voltage as reference for the control, the input current of the boost
stages are also constant, despite of the high-frequency oscillations around 80 kHz. The three DC-DC stages are paralleled without the
need of sincronism between them. With the operation of the AC-DC converter, the current drained from the mais presents harmonic
distortions lower than 8%.
Keywords
 AC-DC converter, 18-pulse, boost converter, constant hysteresis control, on-board applications.
Resumo
 Este trabalho propõe um conversor trifásico CA-CC de 18 pulsos e elevado fator de potência baseado em
autotransformador Delta-diferencial, uma conexão não-isolada, mas que resulta em pesos e volumes reduzidos em comparação aos
transformadores defasadores convencionais isolados. O autotransformador projetado fornece três sistemas de tensão trifásicos
apropriadamente defasados de 20º para a alimentação de pontes retificadoras a diodo. Estas pontes são conectadas a estágios CC-CC
elevadores de tensão (250 V para 400 V) com chaveamento imposto pela técnica de controle por histerese. Usando uma tensão
constante como referência para o controle, faz-se com que a corrente de entrada de cada conversor elevador seja também constante,
apresentando apenas ondulações de alta freqüência, em tono de 80 kHz. Os três estágios CC-CC são colocados em paralelo para
alimentação da carga em corrente contínua, sem a necessidade de sincronismo. Com a operação do conversor CA-CC a corrente
drenada da rede elétrica apresenta distorções harmônicas inferiores a 8%.
Palavras-chave
 Conversor CA-CC, 18 pulsos, conversor elevador de tensão, controle por histerese constante, aplicações
embarcadas.
1
interesse em soluções leves e pouco volumosas.
Neste sentido, as conexões baseadas em
autotransformadores, que não provêem isolamento
galvânico, vêm ganhando espaço, sobretudo em
aplicações embarcadas. Nestes casos, o isolamento
pode ser desnecessário devido à forma de operação
da rede embarcada, sem conexão com outras redes
elétricas. Além disso, como apenas uma fração da
potência da carga é processada no núcleo magnético,
este pode ser otimizado e ter seu peso reduzido em
mais de 50%. Algumas possibilidades de aplicação
de estágios retificadores multipulsos não isolados
são:
• Geradores de Ímã Permanente – estes
geradores, encontrados em embarcações, operam
com tensões e freqüências variáveis de acordo com a
carga elétrica conectada, de maneira que é preciso
primeiramente condicionar a energia elétrica gerada
para que depois esta possa alimentar cargas
convencionais. Isto pode ser feito conectando o
barramento CC gerado pelo retificador de múltiplos
pulsos a um estágio inversor, o qual proverá tensão e
freqüência fixas;
• Aeronaves – há um grande número de
pesquisas recentes relacionadas a aplicações do tipo
MEA (More Electric Aircraft), ou seja, aeronaves
que tem seus atuadores hidráulicos substituídos por
atuadores elétricos, Gong (2004) e Rosero (2007).
Está é a tendência nas aeronaves modernas. Nestes
Introdução
Há várias aplicações para estágios retificadores,
sejam estes controlados ou não. A obtenção de um
barramento CC onde a tensão retificada apresente
baixa oscilação é um desafio muitas vezes resolvido
pela associação de pontes retificadoras trifásicas em
série ou paralelo, criando retificadores multipulsos.
Entre estes, os mais usuais são os de 12, 18 e 24
pulsos. A forma de conexão das pontes
semicondutoras pode levar a outros desafios, como a
necessidade de transformadores de interfase e
bloqueadores de seqüência zero quando são
conectadas em paralelo, Paice (1988). De qualquer
maneira, é preciso que haja um transformador para
adaptar a tensão do aproveitamento elétrico local às
especificações do retificador. Além disso, é
necessário que tal transformador forneça o correto
defasamento entre tensões em seus secundários, para
que, efetivamente, se possam obter retificadores de
múltiplos pulsos. Por exemplo, para retificadores de
12 pulsos, é preciso que o transformador gere dois
sistemas trifásicos defasados entre si de 15º,
Kamath, (2001). Para retificadores de 18 pulsos este
defasamento deve ser de 20º entre os três sistemas
trifásicos requeridos, Seixas, (2005). Embora
algumas conexões de transformadores isolados
possam ser aplicadas, geralmente há grande
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XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
casos, as tensões contínuas usuais são 270 V ou 360
V. A partir deste barramento CC, inversores são
empregados para que se consiga 115 V (eficazes) à
freqüência de 400 Hz, para alimentação geral da
aeronave. Paralelamente, conversores CC-CC são
usados para abaixar a tensão de tal barramento a
níveis padronizados, como 28 V para as cargas
eletrônicas embarcadas, Cheng (1998);
•
Acionamento de Máquinas Elétricas – o
barramento CC confiável pode ser usado para
alimentar um estágio inversor qualquer para
controle de velocidade de motores de indução, por
exemplo, Singh, (2006).
É imprescindível que nestas aplicações sejam usados
conversores de elevado fator de potência, ou seja,
que drenem correntes com baixo conteúdo
harmônico. Mais além, em todas estas aplicações há
interesse em regular a tensão média do barramento
CC, de forma que esta possa ser mantida constante
tanto em condições de plena carga quanto com
cargas leves. Isto significa utilizar conversores CCCC com adequada técnica de controle,
preferencialmente com característica de fonte de
tensão na saída.
Nas próximas seções, é apresentada uma proposta de
conversor
CA-CC
composta
de
um
autotransformador Delta-diferencial, retificadores
passivos e um estágio CC-CC elevador de tensão
com controle por histerese constante. A figura 1
mostra o esquema geral da solução proposta.
(2009). As tensões Va, Vb e Vc correspondem às
tensões de fase da rede elétrica que alimenta o
transformador. As tensões VR1, VT1 e VS1 formam o
sistema trifásico adiantado de +20º em relação à
rede. De forma semelhante, VRn, VTn e VSn compõem
o sistema trifásico em fase com a rede e o sistema
VR2, VT2 e VS2 está atrasado de 20º. A escolha da
conexão Delta-diferencial generalizada de deva ao
fato de que com ela pode-se obter qualquer tensão de
saída, simplesmente pelo ajuste das relações de
espiras.
Figura 2. Conexão Delta de autotransformador, com θ = 20º.
2.1 Especificações de Projeto
A tabela 1 reúne todos os dados de interesse
para o projeto do autotransformador. Por se tratar de
um autotransformador trifásico, o núcleo magnético
é constituído de lâminas do tipo “E-I” de três
colunas com larguras idênticas. Pela figura 2 nota-se
que cada uma destas colunas terá sete enrolamentos.
Por exemplo, Nab, Nab1, Nab2, Nab3, Nab4, Nabn e Nabn1
estão acoplados juntos em uma mesma coluna do
núcleo magnético. Ao final, portanto, existirão 21
enrolamentos a serem conectados.
Figura 1. Conversor CA-CC proposto.
2
Tabela 1. Especificações do Autotransformador e Pontes Retif.
Tensão Eficaz de Fase Entrada (Va)
Tensão Eficaz de Fase Saída (VR1)
Tensão Média Retificada (Vi)
Potência Nominal da Carga
Potência do Autotransformador
Taxa kVA (kVA/kW)
Freqüência de Operação
Estágio Retificador e Transformador DeltaDiferencial 18 Pulsos
O estágio CA-CC é formado por um
transformador defasador e três pontes retificadoras
não-controladas. O transformador defasador tem por
objetivo fornecer três sistemas trifásicos a partir da
rede elétrica também trifásica que o alimenta. Um
dos sistemas trifásicos está em fase com a rede, outro
tem cada uma de suas fases defasadas de +20º
contados a partir da rede elétrica e o terceiro sistema
trifásico está defasado -20º desta mesma referência.
A figura 2 mostra o diagrama fasorial que descreve a
conexão Delta-diferencial generalizada, Oliveira,
Núcleo Magnético
Elevação de Temperatura Admissível
Tensão de Pico nas Pontes Retif.
Corrente Média
127 V
107 V
250 V
6 kW
1,7 kVA
28%
60 Hz
E-I, 6HS-400, Aço
Silício Grãos Orientados
M125-27, 0,27 mm
25 ºC
260 V
8A
Os enrolamentos primários Nab, Nbc e Nca estarão
submetidos à tensão de linha da rede. A tensão de
fase do secundário (por exemplo, VR1), pode ser
escolhida levando em consideração a tensão que se
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XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
deseja na saída das pontes retificadoras trifásicas.
Isto porque, como se sabe, a tensão média retificada
de seis pulsos corresponde a um ganho estático de
2,34 vezes a tensão de fase do sistema trifásico que
alimenta a ponte. Para este projeto, é desejável que a
tensão média em cada ponte seja de 250 V. Assim,
VR1 deve ser de 107 V eficazes.
Sendo assim, a tensão eficaz sobre os enrolamentos
pode ser calculada como se segue, Gonçalves (2006):
Vab = Vbc = Vca = 220V
esforços para refrigeração necessários. Conversores
embarcados não devem gerar grande quantidade de
calor, pois assim seria necessário aumentar a
ventilação forçada dos mesmos, bem como melhorar
a dissipação térmica dos componentes eletrônicos
próximos ao transformador.
(1)
sin (30 )
sin (α )
⋅
= 30,7V
sin (150o − α ) sin (30o )
(2)
sin (30o )
sin (α − θ )
⋅
= −21,2V
o
sin (150 − α ) sin (90o + θ )
(3)
(VR1 − Va ) = −11,5V
2 ⋅ cos 30o
(4)
o
Vab1 = Vab2 = Va ⋅
Vab3 = Vab4 = Va ⋅
Vabn = Vabn1 =
( )
Figura 3. Autotransformador implementado.
Onde,
 1 VR1 ⋅ cos(θ ) − Va

⋅ 3  = 8,7 º
(
V
(
θ
)
)
3
⋅
cos
R1


α = −tan −1  ⋅
Tabela 2. Enrolamentos.
(5)
Enrolamento
Nab
Nab1 = Nab2
Nab3 = Nab4
Nabn = Nabn1
O resultado de (2) é válido para Vbc1, Vbc2, Vca1 e
Vca2. O resultado de (3) vale para Vbc3, Vbc4, Vca3 e
Vca4. Da mesma maneira, o resultado de (4) pode ser
aplicado a Vbcn, Vbcn1, Vcan e Vcan1. Com base nestes
valores calculados, as relações de tensão e número
de espiras, são dadas a seguir.
(6)
Nab1 Vab1
=
= 0,1395
N ab Vab
(7)
N ab 3 Vab3
=
= −0,0963
N ab Vab
(8)
Kc =
Característica
358 esp., 20 AWG
48 esp., 15 AWG
36 esp., 15 AWG
18 esp., 15 AWG
2.2 Ensaios com Autotransformador
N
V
K a = abn = abn = −0,0523
N ab Vab
Kb =
Corrente Eficaz (A)
1,34
6,50
6,50
6,50
Com estas relações é possível calcular o número de
espiras de cada enrolamento. Cabe ressaltar que o
sinal negativo (-) que aparece nas relações Ka e Kc
indica que a polaridade dos enrolamentos Nabn e Nab3
é oposta àquela apresentada na figura 2. A figura 3
mostra o autotransformador montado e testado para
este trabalho.
É sabido que, para autotransformadores, apenas
parte da potência requerida pela carga é processada
pelo núcleo magnético, resultando em baixa taxa
kVA. Desta maneira, a conexão Delta-diferencial
projetada processa apenas 28% dos 6 kW da carga
nominal. Isto significa que o núcleo magnético pode
ser calculado para aproximadamente 1,7 kVA
apenas, resultando assim em menos volume e peso
do que quando comparado a um transformador
convencional. A tabela 2 mostra os valores de
corrente eficaz em cada enrolamento. Estes dados
permitem a determinação da seção dos condutores,
escolhida uma densidade de corrente adequada à
aplicação que se pretende ao projeto. Menor a
densidade de corrente, menor elevação de
temperatura dos enrolamentos, menores serão os
Para a realização dos ensaios, as pontes
retificadoras foram colocadas em operação
independente, ou seja, cada uma das três pontes foi
conectada a uma carga RL (R=30 Ω a 400 Ω e
L=500mH). A figura 4 amostra o ensaio realizado,
com as pontes a diodo, dissipadores, banco resistivo
e indutores.
Figura 4. Montagem para ensaio do autotransformador.
Com a corrente de carga praticamente constante,
tem-se boa definição dos degraus que compõem a
forma de onda das correntes de entrada do
autotransformador. As correntes da figura 5(a),
obtidas para a situação de potência nominal,
mostram-se bem equilibradas, com defasamento
entre si de 120º. O valor eficaz por fase é de 16 A
(figuras com medidas na escala 10 mV/A). Uma
tensão de fase também é mostrada, para que se tenha
referência. A figura 5(b) mostra o detalhe de uma
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XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
das correntes com a respectiva tensão de fase,
mostrando que o fator de deslocamento é elevado,
0,998. A distorção harmônica total destas correntes é
de 7,8%. Fator de deslocamento próximo da unidade
e baixa distorção harmônica significam fator de
potência praticamente unitário.
Na figura 5(c) tem-se o espectro harmônico de uma
das correntes de entrada do autotransformador.
Destacam-se os harmônicos de 17ª, 19ª, 35ª e 37ª
ordens, como esperado para retificadores de 18
pulsos.
Na figura 6 são apresentados exemplos das tensões
de linha de saída correspondentes em cada sistema
trifásico. O defasamento de +20º e -20º em relação à
rede elétrica são verificados, bem como a igualdade
de amplitudes entre estas formas de onda. Estes
resultados são válidos para as outras fases.Como há
defasamento de 20º entre cada sistema trifásico
gerado, as tensões retificadas também são defasadas
de 20º, embora tenham o mesmo valor médio.
A regulação de tensão, relação entre tensão nos
secundários a vazio e à potência nominal, é de
apenas 3,8%. O rendimento do autotransformador é
de 93% à potência nominal e, como esperado, a
temperatura máxima atingida pelo núcleo magnético
foi de 50 ºC (elevação de 25 ºC).
Figura 6. Defasamento entre tensões de linha dos diferentes sistemas
trifásicos gerados.
3
Estágio Elevador de Tensão com Controle por
Histerese Constante
A escolha do conversor elevador de tensão
clássico (boost) se deve ao fato de que este possui
característica de entrada como fonte de corrente.
Desta maneira, aplicando a correta técnica de
controle na chave semicondutora ativa desta
topologia, obtêm-se correntes com baixa ondulação
nas pontes retificadoras e, conseqüentemente, nos
enrolamentos do autotransformador. Assim, através
de um circuito de potência operando em alta
freqüência, emula-se o volumoso banco indutivo
mostrado anteriormente.
Cada uma das pontes retificadoras está conectada a
um estágio CC-CC elevador de tensão, cujas saídas
são conectadas em paralelo para alimentar a carga.
A maneira correta de se associar boosts em paralelo
requer um diodo adicional e a divisão do indutor
principal em dois indutores equivalentes, Spiazzi,
(1997).
A função deste estágio é de elevar a tensão do
barramento CC de 250 V até o valor desejado. Para
aplicações em aeronáutica, como discutido, as
tensões médias usuais são de 270 V ou 360 V. Podese facilmente, com a mudança de alguns poucos
parâmetros, adequar esta tensão de saída ao valor de
interesse. No caso atual, o conversor foi projetado
para tensão média na carga igual a 400 V, que é um
nível de tensão adequado para aplicações em
acionamentos elétricos, quando associado a um
estágio inversor.
A figura 7 mostra um dos três estágios boost
empregados. O controle por histerese constante é
também mostrado. Esta forma de controle procura
(a) Correntes na entrada do autotransformador.
(b) Detalhe de corrente e tensão.
(c) Espectro harmônico de corrente.
Figura 5. Resultados experimentais.
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fazer com que a corrente que flui através do indutor
boost (indutores Lb1 e Lb2) siga uma referência
imposta. O circuito comparador, que deve ter baixo
tempo de resposta (tresp) e pode ser implementado
com circuitos integrados como TL714 (tresp = 6 ns)
ou mesmo o LM339 (tresp = 300 ns), compara um
sinal de tensão proveniente do sensor de corrente
que monitora o indutor boost com uma tensão
constante de referência.
VO
= 2,7mH
(10)
f max ⋅ ∆I i
O capacitor de saída, em paralelo com a carga, pode
ser calculado como em (11), onde a freqüência da
oscilação da tensão é de três vezes a freqüência da
tensão retificada e a variação máxima de amplitude
é de ±1%.
3 ⋅ PO
C=
= 450µF
(11)
f oscilação ⋅ (VO2max − VO2min )
Li = Dmax ⋅ (1 − Dmax ) ⋅
O tipo de chave a ser empregado na etapa de
implementação destes conversores CC-CC ainda
será apropriadamente escolhido.
A referência do circuito comparador deve ser uma
tensão contínua de 8 V, para que a corrente de
entrada dos conversores elevadores sejam de 8 A. O
ganho do comparador é dado por (12), onde Vcc é a
tensão de alimentação do comparador, 15 V e RP
vale 1 kΩ, resultando em RF igual a 29 kΩ.
RP
∆Vh =
⋅ VCC
(12)
RP + RF
Figura 7. Estágio elevador de tensão com controle por histerese.
O ganho do comparador define a largura da banda
de histerese, ou seja, a faixa de corrente admissível
no indutor boost. Quanto mais estreita esta largura,
mais a corrente na entrada do conversor elevador de
tensão será livre de oscilações de baixa freqüência.
Se a imagem da corrente no indutor (sinal de tensão
proveniente do sensor de corrente) for ligeiramente
menor que a referência de tensão (Vref) a chave ativa
S é fechada e a corrente no indutor cresce
linearmente. Quando esta corrente atinge o valor
máximo, definido pela largura de histerese, a chave
S é aberta e a corrente decresce.
3.1 Especificações para
Controle por Histerese
4
Embora o autotransformador e as pontes
retificadoras já tenham sido testadas, o conversor
CC-CC ainda não foi implementado. São
apresentadas a seguir, resultados de simulações da
operação conjunta de todos os estágios.
As simulações foram feitas para carga nominal, 6
kW. A figura 8(a) mostra a corrente na entrada dos
estágios boost, onde se nota apenas oscilações de
alta freqüência. É importante citar que as três
correntes são bem equilibradas, de forma que a
potência processada em cada estágio boost é de um
terço da potência total, ou seja, 2 kW. Um detalhe
destas correntes é mostrado na figura 8(b). Percebese a linearidade do crescimento e decrescimento da
corrente através do indutor. A freqüência desta
corrente é de aproximadamente 75 kHz, abaixo,
portanto, da freqüência máxima definida de 80 kHz.
A oscilação da corrente de entrada é de 500 mA, e
pode ser melhorado para atende os parâmetros da
tabela 3. O tempo de resposta do comparador de
histerese também é fator determinante nestes
resultados e para a montagem prática serão usados
circuitos integrados de alta qualidade.
As correntes drenadas da rede elétrica são
apresentadas na figura 8(c) e condizem com os
resultados experimentais apresentados na figura
5(a). Pelas simulações o fator de potência seria
praticamente unitário. O espectro harmônico é
mostrado na figura 8(d).
A tensão de saída é mostrada na figura 8(e) e está
próxima de 400 V, com baixa ondulação.
Estágio Elevador e
A tabela 3 traz as especificações necessárias para a
simulação de cada conversor CC-CC, que opera no
modo de condução contínua. A razão cíclica varia de
acordo com a tensão de seis pulsos (Vi(ωt)) que
alimenta o estágio boost segundo (9).
Tabela 3. Parâmetros do estágio CC-CC
Potência de Saída
Tensão Média de Saída (Vo)
Tensão Média de Entrada (Vi)
Corrente Média de Entrada (Ii)
Largura da banda de histerese
(∆Ii)
Freqüência Máxima de
Chaveamento
∆Vh
Simulação Conjunta do Transformador,
Retificador e Conversor CC-CC
2 kW
400 V
250 V
8A
5%, 400 mA
80 kHz
0,5 V
Há, portanto, um valor máximo de razão cíclica
(Dmax) para a operação do semicondutor ativo em
cada um dos três estágios CC-CC.
V (ωt )
D(ωt ) = 1 − i
(9)
VO
Com este valor máximo, que pode ser encontrado
também por simulação, determina-se a indutância
necessária para o conversor. Esta indutância mínima
(Li) é calculada através de (10), com Dmax igual a
0,316.
3103
XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
validam a técnica de controle e o princípio de
operação descrito anteriormente.
(a) Corrente de entrada nos conversores boost.
Figura 10. Estágio elevador de tensão implementado.
Na figura 11(a), tem-se a forma de onda da
corrente de entrada deste estágio elevador de tensão.
Neste caso, a largura da banda de histerese foi
ajustada em 800 mA. Estes resultados são válidos
para situação de meia carga. Um detalhe é mostrado
na figura 11(b).
(b) Detalhe da corrente no indutor boost.
(c) Correntes na entrada do autotransformador.
(a)
(d) Espectro harmônico de corrente.
(b)
(e) Tensão de saída.
Figura 9 – Resultados de simulação.
5
Resultados Experimentais
Um módulo elevador de tensão, com sensor de
corrente, ponte retificadora, indutor acoplado e filtro
capacitivo de saída é mostrado na figura 10. Embora
apenas um destes módulos tenha sido implementado,
não tendo sido realizado o paralelismo entre
módulos, os primeiros resultados experimentais
(c)
Figura 11. Corrente no indutor (a), detalhe (b) e corrente em uma
fase da ponte retif. do lado CA (c).
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XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS.
Na figura 11(c) tem-se a corrente na entrada da
ponte retificadora do estágio elevador de tensão.
Com a associação de estágios em paralelo, a corrente
drenada da rede elétrica deve assumir a forma de
onda característica de 18 pulsos.
Quanto ao circuito de controle, bastante simples e
com número muito pequeno de componentes, foi
implementado com o comparador LM6171. O
circuito de ataque é baseado no opto-isolador HCPL3180.
6
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Conclusão
Este trabalho apresenta uma proposta para conversor
retificador trifásico com elevado fator de potência
para aplicações que requeiram um barramento CC
robusto, baixa oscilação da tensão média na carga e
reduzida distorção harmônica nas correntes
drenadas da rede elétrica local. O autotransformador
projetado permite correção ativa do fator de potência
quando aliado ao estágio CC-CC com controle por
histerese, de maneira simples e eficiente. Ao mesmo
tempo, a potência processada no núcleo magnético
do autotransformador corresponde a apenas 28% da
potência requerida pela carga, de forma que as
dimensões do mesmo, bem como o peso total, são
reduzidas em relação aos transformadores isolados.
O conversor CC-CC elevador de tensão favorece a
aplicação desta técnica de controle e ainda facilita o
paralelismo sem a necessidade de circuitos
adicionais para sincronia entre eles. A regulação da
tensão de saída pode ser feita pelo ajuste instantâneo
e simultâneo das tensões de referência dos circuitos
de controle, modificando assim, a corrente através
dos indutores dos conversores boost de forma a
elevar ou reduzir a tensão média sobre a carga.
Agradecimentos
Os autores agradecem às agências CAPES e
FAPESP pelo apoio financeiro concedido.
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