Controle de um conversor boost PFC para carregamento de bateria

Abstract

Os conversores estáticos de potência desempenham papel fundamental na conexão de fontes de energia à rede elétrica, atuando como interface de processamento entre a fonte e o sistema elétrico. Para que essa conexão ocorra com qualidade, a corrente drenada deve apresentar forma de onda senoidal e em fase com a tensão, condição associada a elevado fator de potência e baixa distorção harmônica total, conforme estabelecido por normas como a IEC 61000-3-2, a IEEE Std 519 e o Módulo 8 do PRODIST. Nesse contexto, o conversor boost operando como corretor ativo de fator de potência (PFC, Power Factor Correction) proporciona essa conexão com adequada qualidade da forma de onda. Este trabalho apresenta o projeto do controle de um conversor boost PFC aplicado ao carregamento de um banco de baterias de 108 V, com potência de 150 W, faixa de tensão de entrada de 30 V a 60 V e frequência de chaveamento de 18 kHz. O indutor e o capacitor de saída foram dimensionados a partir dos critérios de ondulação de corrente e de tensão, resultando nos valores comerciais de 1,5 mH e 3700 µF. Adotou-se uma estratégia de controle em cascata, composta por uma malha interna de corrente e uma malha externa de tensão, projetadas no domínio da frequência por meio da análise do ganho de malha (loop gain) no software QSPICE. A malha interna foi projetada com frequência de cruzamento de 3 kHz e a malha externa com 30 Hz, esta inferior à ondulação de 120 Hz do barramento de saída, ambas com margem de fase de 60° imposta pelo método do fator k, o que conduziu a controladores do Tipo II. Em seguida, os controladores foram discretizados pelo método de Tustin (transformação bilinear), originando estruturas de dois polos e dois zeros descritas por equações a diferenças com amostragem de 18 kHz, sincronizada ao modulador PWM, visando à futura implementação em microcontrolador. As simulações de potência, incluindo o carregamento da bateria no software PLECS, demonstraram corrente de entrada senoidal e em fase com a tensão da rede, regulação da tensão de saída em 108 V com ondulação dentro do critério de 1%, validando a metodologia de projeto proposta.