Reinicialização De Controladores Repetitivos Em Inversores PWM Sob Distúrbios Não-Periódicos: Análise E Projeto

Cassiano Rech; Leandro Michels; José Renes Pinheiro

doi:10.18618/REP.2010.1.011020

Authors

Cassiano Rech Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Leandro Michels Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
José Renes Pinheiro Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2010.1.011020

Keywords:

controle repetitivo, Inversor PWM

Abstract

Embora inversores PWM com controle repetitivo apresentem um excelente desempenho em regime permanente sob cargas não-lineares cíclicas, eles não apresentam uma boa resposta dinâmica sob distúrbios não-periódicos. Então, esse artigo apresenta a análise e o projeto de controladores repetitivos com reinicialização para melhorar a resposta transitória de inversores PWM sob distúrbios não periódicos, tais como mudanças súbitas de carga linear ou retiradas de cargas não-lineares cíclicas. O algoritmo é baseado na análise do comportamento do erro de saída para identificar a ocorrência de um distúrbio não-periódico. Após identificar a ocorrência desse distúrbio, é possível reinicializar a ação de controle repetitiva e armazenar as informações corretas relativas à nova carga. Análise da estabilidade, metodologia de projeto, resultados de simulação e experimentais (1 kVA @ 110 VRMS) são incluídos para ilustrar o bom desempenho do algoritmo sob diferentes condições de carga.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Cassiano Rech, Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM

nasceu em Carazinho, Rio Grande do Sul, Brasil, em 1977. Formou-se em Engenharia Elétrica e obteve os títulos de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brasil, em 1999, 2001 2005, respectivamente. De 2005 a 2007, atou como professor da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (UNIJUI). De 2008 a 2009, atuou como professor da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Desde 2009 é professor da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), onde atua junto ao Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Suas áreas de interesse incluem modelagem e controle de conversores estáticos de potência, fontes ininterruptas de energia e conversores multiníveis. Atualmente, é membro da SOBRAEP e IEEE-PELS.

Leandro Michels, Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM

nasceu em Não-Me-Toque, RS, Brasil, em 1979. Formou-se em Engenharia Elétrica e obteve o título Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brasil, em 2002 e 2006, respectivamente. Realizou estágio de Pós-Doutorado na mesma instituição em 2007. De 2008 a 2009, atuou como professor da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC). Desde 2009 é professor da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), onde atua junto ao Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Suas áreas de interesse são: técnicas de controle digital aplicadas a conversores estáticos, fontes ininterruptas de energia, fonte ca de potência e controle digital aplicado. Atualmente é membro da SBA e SOBRAEP.

José Renes Pinheiro, Grupo de Eletrônica de Potência e Controle – GEPOC Universidade Federal de Santa Maria – UFSM

nasceu em Santa Maria, RS, Brasil, em 1958. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Brasil, e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, em 1981, 1984, e 1994, respectivamente. Atualmente, o Dr. Pinheiro é Professor Titular do Departamento de Eletrônica e Computação da Universidade Federal de Santa Maria, onde atua desde 1985. Em 1987, foi um dos fundadores e atualmente é coordenador do Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC). Foi o coordenador de Programa Técnico do Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência (COBEP), em 1999, e do Seminário de Eletrônica de Potência e Controle (SEPOC), em 2000. Em 2001 e 2002, ele realizou Pós-doutorado na área de Sistemas Distribuídos de Energia, no Center for Power Electronics Systems (CPES), da Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech), Blacksburg, USA. Suas principais linhas de pesquisas incluem Sistemas Híbridos de conversão estática de energia, Sistemas de alimentação de alta freqüência, Técnicas de compensação e correção do fator de potencia, modelagem e controle de conversores estáticos. Dr. Pinheiro é membro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, da Sociedade Brasileira de Automática, e de Sociedades da IEEE.

References

IEC 62040-3, Uninterruptible power systems (ups) -part 3: method of specifying the performance and test requirements, 1999.

M. A. Boost, P. D. Ziogas, "Towards a zero-output impedance ups system", IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 25, no. 3, pp. 408-418, Mai./Jun. 1989. https://doi.org/10.1109/28.31210 DOI: https://doi.org/10.1109/28.31210

P. Mattavelli, "An improved deadbeat control for ups using disturbance observers", IEEE Trans. Power Electron., vol. 52, no. 1, pp. 206-212, Fev. 2005. https://doi.org/10.1109/TIE.2004.837912 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2004.837912

M. J. Ryan, W. E. Brumsickle, R. D. Lorenz, "Control topology options for single-phase ups inverters," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 33, no. 2, pp. 493-501, Mar./Abr. 1997. https://doi.org/10.1109/28.568015 DOI: https://doi.org/10.1109/28.568015

O. Kukrer, H. Komurcugil, "Deadbeat control method for single-phase ups inverters with compensation of computation delay", IEE Proc.-Elect. Power Applicat, vol. 146, no. 1, pp. 123-128, Jan. 1999. https://doi.org/10.1049/ip-epa:19990215 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-epa:19990215

T. Haneyoshi, A. Kawamura, R. G. Hoft, "Waveform compensation of pwm inverter with cyclic fluctuatingloads", IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 24, no. 4, pp. 582-588, Jul./Ago. 1988. https://doi.org/10.1109/28.6108 DOI: https://doi.org/10.1109/28.6108

K. Zhang, Y. Kang, J. Xiong, J. Chen, "Direct repetitive control of spwm inverter for ups purpose", IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 3, pp. 784-792, Mai. 2003. https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.810846 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.810846

C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Gründling, H. L. Hey, J. R. Pinheiro, "Comparison of digital control techniques with repetitive integral action for low cost pwm inverters", IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 401-410, Jan. 2003. https://doi.org/10.1109/TPEL.2002.807094 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2002.807094

C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Grundling, H. L. Hey and J. R. Pinheiro, "A modified discrete control law for UPS applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no. 5, pp. 1138-1145, Sept. 2003. https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.816187 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.816187

C. Rech, H. Pinheiro, H. A. Grundling, H. L. Hey and J. R. Pinheiro, "Analysis and design of a repetitive predictive-PID controller for PWM inverters," 2001 IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, Vancouver, BC, Canada, 2001, pp. 986-991 vol.2, https://doi.org/10.1109/PESC.2001.954248 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.2001.954248

L. Michels, H. A. Gründling, "Procedimento de projeto de controladores repetitivos para o estágio de saída de fontes ininterruptas de energia", Eletrônica de Potência, vol. 10, no. 1, p. 39-50, Jun. 2005. https://doi.org/10.18618/REP.2005.1.039050 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2005.1.039050

F. Botterón, H. Pinheiro, "Controlador discreto de alto desempenho com base num modelo interno em eixos síncronos para ups trifásica que satisfaz a normaiec62040-3", Eletrônica de Potência, vol. 11, no. 2, p. 135-147, Jul. 2006. https://doi.org/10.18618/REP.2006.2.135147 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2006.2.135147

K. Zhou, K.-S. Low, D. Wang, F.-L. Luo, B. Zhang, Y.Wang, "Zero-phase odd-harmonic repetitive controller for a single-phase pwm inverter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 1, pp. 193-201, Jan. 2006. https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.861190 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.861190

G. Escobar, P. R. Martinez, J. Leyva-Ramos, P. Mattavelli, "A negative feedback repetitive control scheme for harmonic compensation", IEEE Trans. Ind.Electron., vol. 53, no. 4, pp. 1383-1386, Jun. 2006. https://doi.org/10.1109/TIE.2006.878293 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2006.878293

A. García-Cerrada, O. Pinzón-Ardila, V. Feliu-Batlle, P. Roncero-Sánchez, P. García-Gonzalez, "Application of a repetitive controller for a three-phase active power filter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 1, pp.237-246, Jan. 2007. https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.886609 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.886609

G. Escobar, A. A. Valdez, J. Leyva-Ramos, P. Mattavelli, "Repetitive-based controller for a ups inverter to compensate unbalance and harmonics distortion," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 1,pp. 504-510, Fev. 2007. https://doi.org/10.1109/TIE.2006.888803 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2006.888803

R. Grinó, R. Cardoner, R. Costa-Castelló, E. Fossas, "Digital repetitive control of a three-phase four-wire shunt active filter," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 3, pp. 1495-1503, Jun. 2007. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.894790 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2007.894790

S. Bolognani, L. Peretti, M. Zigliotto, "Repetitive-control-based self-commissioning procedure for inverternonidealities compensation", IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 43, no. 5, pp. 1587-1596, Set./Out. 2008. https://doi.org/10.1109/TIA.2008.2002280 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2008.2002280

S. Chen, Y. M. Lai, S.-C. Tan, C. K. Tse, "Analysis and design of repetitive controller for harmonic elimination pwm voltage source inverter systems", IET PowerElectron., vol. 1, no. 4, pp. 497-506, Dez. 2008. https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070006 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel:20070006

L. Michels, M. Stefanello, H. A. Gründling,"Controlador repetitivo para inversores PWM com referência de frequência variável", Revista Controle & Automação, vol. 20, no. 3, p. 394-404, Jul./Set. 2009. https://doi.org/10.1590/S0103-17592009000300010 DOI: https://doi.org/10.1590/S0103-17592009000300010

F. P. Marafão, P. Mattavelli, S. Buso, S. M. Deckmann,"Repetitive-based control for selective active filters using discrete cosine transform", Eletrônica de Potência, vol. 9, no. 1, p. 29-36, Jun. 2004. https://doi.org/10.18618/REP.2004.1.029036 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2004.1.029036

S. Hara, Y. Yamamoto, T. Omata, M. Nakano,"Repetitive control system: A new type servo system for periodic exogenous signals", IEEE Trans. Automat. Contr., vol. 33, no. 7, pp. 659-667, Jul. 1988. https://doi.org/10.1109/9.1274 DOI: https://doi.org/10.1109/9.1274

M. Tomizuka, T.-C. Tsao, K.-K. Chew, "Analysis and synthesis of discrete-time repetitive controllers," Trans. ASME: J. Dyn. Syst., Meas. Contr., vol. 111, pp. 353-358, Set. 1989. https://doi.org/10.1115/1.3153060 DOI: https://doi.org/10.1115/1.3153060

C. Kempf, W. Messner, M. Tomizuka, R. Horowitz,"Comparison of four discrete-time repetitive control algorithms", IEEE Control Syst. Mag., vol. 13, no. 6, pp. 48-54, Dez. 1993. DOI: https://doi.org/10.1109/37.248004

B. A. Francis, W. M. Wonham, "The internal model principle of control theory," IFACAutomatica, vol. 12, no. 5, pp. 457-465, Mai. 1976. https://doi.org/10.1016/0005-1098(76)90006-6 DOI: https://doi.org/10.1016/0005-1098(76)90006-6

C. Rech, H. L. Hey, H. A. Gründling, H. Pinheiro, J. R. Pinheiro, "An algorithm for improving the transient response of repetitive controlled pwm inverters under non-periodic disturbances", in 7º COBEP, pp. 739-744, Fortaleza, 2003.

R. W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals ofpower electronics. New York, NY: Springer, pp. 187-258, 2001. https://doi.org/10.1007/0-306-48048-4_7 DOI: https://doi.org/10.1007/0-306-48048-4_7

K. J. Astrom, B. Wittenmark, Computer-controlled systems: theory and design. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, pp. 30-67, 1997.

J. C. Clegg, "A nonlinear integrator forservomechanisms", Trans. AIEE, Part II, Appl. Ind., vol. 77, pp. 41-42, 1958. https://doi.org/10.1109/TAI.1958.6367399 DOI: https://doi.org/10.1109/TAI.1958.6367399

H. Hu, Y. Zheng, Y Chait, C.V. Hollot, "On the zero-input stability of control systems with clegg integrator", in IEEE ACC, pp. 408-410, 1997. https://doi.org/10.1109/ACC.1997.611829 DOI: https://doi.org/10.1109/ACC.1997.611829

O. Beker, C. Hollot, Y. Chait, H. Han, "Fundamental properties of reset control systems," IFACAutomatica, vol. 40, no. 6, pp. 905-915, Jun. 2004. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.01.004 DOI: https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.01.004

L. Zhou, M. M. Khan, G. Yao, F. Ji, D. Xie, C. Chen, J. Shu, "On using resetting integrator in current control loop for active power filter", in IEEE IPEC'05, pp. 1-5, 2005.

D. Wu, G. Guo, Y. Wang, "Reset integral-derivative control for hdd servo systems", IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 15, no. 1, pp. 161-167, Jan 2007. https://doi.org/10.1109/TCST.2006.883230 DOI: https://doi.org/10.1109/TCST.2006.883230

J. Carrasco, A. Baños, A. Barreiro, "Stability of reset control systems with inputs", in IEEE MED'08, pp. 1496-1501, 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/MED.2008.4602125

A. Bacciotti, A. Biglio, "Some remarks about stability of nonlinear discrete-time control systems", Nonlin.Diff. Eq. Applicat., vol. 8, no. 4, pp. 425-438, Nov. 2001. https://doi.org/10.1007/PL00001456 DOI: https://doi.org/10.1007/PL00001456

Microchip Technology Inc., Pic17c75x high-performance 8-bit cmos eprom microcontrollers, Literature Number 30264A, 1997.