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Título: Estudo e projeto de um inversor trifásico quatro braços
Título(s) alternativo(s): Study and design of a three-phase four-leg inverter
Autor(es): Richter, Francieli Vieira
Orientador(es): Cardoso, Rafael
Palavras-chave: Inversores elétricos
Controladores programáveis
Modulação (Eletrônica)
Electric inverters
Programmable controllers
Modulation (Electronics)
Data do documento: 5-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: RICHTER, Francieli Vieira. Estudo e projeto de um inversor trifásico quatro braços. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.
Resumo: Este trabalho de conclusão de curso apresenta o estudo, projeto, dimensionamento e validação experimental de um inversor trifásico de quatro braços, uma topologia avançada crucial para o controle de sistemas a quatro fios (trifásico com neutro). O objetivo principal é desenvolver um conversor CC/CA trifásico de quatro braços com filtro LC de saída, para aplicações de geração fotovoltaica off-grid. O projeto iniciou-se com o equacionamento do sistema em espaço de estados, um passo fundamental para o dimensionamento preciso e para a compreensão da dinâmica do conversor, incluindo os efeitos de resistências parasitas presentes no filtro de saída do tipo LC. A estratégia de modulação adotada é a Modulação por Vetores Espaciais tridimensional (3D-SVM). A complexidade desta técnica foi abordada pelo detalhamento do mapeamento dos 24 tetraedros e pela criação de algoritmos eficientes de localização e limitação do vetor de tensão de referência. O controle em malha fechada é implementado utilizando um controlador Proporcional Ressonante (PR). A escolha do referencial estacionário αβγ para a operação deste controlador foi estratégica, pois permite o controle preciso de componentes de sequência positiva, negativa e, crucialmente, de sequência zero (γ), essencial para o quarto braço do inversor, ao mesmo tempo que reduz o esforço computacional. O controlador PR foi sintonizado analiticamente e, em seguida, discretizado pelo método de Tustin para a implementação em plataforma digital. O projeto foi integralmente validado por meio de uma série abrangente de ensaios experimentais em bancada. Os resultados obtidos confirmaram a alta fidelidade do modelo teórico, demonstrando que o hardware e o controle operam conforme o previsto. O desempenho em regime nominal atingiu os requisitos de projeto, para uma potência total de 2,2 kW, o inversor atingiu uma distorção harmônica total máxima de 1,25% por fase, e um erro máximo em regime permanente de tensão de fase constatado de 2,20% na operação nominal. Ensaios específicos, como os testes de sequência zero e sobremodulação, validaram a robustez e a precisão dos algoritmos SVM implementados. Os testes de desequilíbrio de carga, desequilíbrio de tensão e distúrbios abruptos confirmaram a eficácia e robustez do controlador PR e da topologia de quatro braços em sua função primária: regular as tensões de fase de forma independente e compensar assimetrias, cumprindo assim todos os objetivos propostos neste trabalho. De maneira geral, com base nos resultados obtidos, é possível concluir que a integração da topologia de quatro braços com o controle PR no referencial αβγ é uma solução eficiente e robusta para inversores em sistemas a quatro fios, fornecendo excelente qualidade de energia mesmo sob condições de operação desbalanceadas.
Abstract: This work presents the study, design, dimensioning, and experimental validation of a four-leg, three-phase inverter, an advanced topology that is crucial for controlling four-wire systems (threephase systems with neutral). The main objective is to develop a three-phase four-leg DC/AC converter with an LC output filter for off-grid photovoltaic generation applications. The project began with the rigorous state-space modeling of the system, a fundamental step for precise dimensioning and for understanding the converter’s dynamics, including the effects of parasitic resistances present in the LC output filter. The adopted modulation strategy is three-dimensional Space Vector Modulation (3D-SVM). The complexity of this technique was handled by detailing the mapping of the 24 tetrahedra and by creating efficient algorithms for locating and limiting the reference voltage vector. The closed-loop control is implemented using a Proportional–Resonant (PR) controller. The choice of the stationary αβγ reference frame for operating this controller was strategic, as it enables precise control of positive, negative, and, crucially, zero-sequence (γ) components essential for the inverter’s fourth leg while also reducing computational effort. The PR controller was tuned analytically and then discretized using the Tustin method for implementation on a digital platform. The project was fully validated through a comprehensive set of experimental bench tests. The obtained results confirmed the high fidelity of the theoretical model, demonstrating that both the hardware and the control operate as expected. Under nominal operating conditions and for a total power of 2.2 kW, the inverter achieved a maximum total harmonic distortion of 1.25% per phase and a maximum steady-state phase voltage error of 2.20%. Specific tests, such as zero-sequence and overmodulation tests, validated the robustness and accuracy of the implemented SVM algorithms. Load imbalance, voltage imbalance, and abrupt disturbance tests confirmed the effectiveness and robustness of both the PR controller and the four-leg topology in their primary role: independently regulating phase voltages and compensating asymmetries, thus fulfilling all the objectives proposed for this work. In general, based on the obtained results, it is possible to conclude that integrating the four-leg topology with PR control in the αβγ reference frame is an efficient and robust solution for inverters in four-wire systems, delivering excellent power quality even under unbalanced operating conditions.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/40197
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