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U n i ve r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Curso de Engenharia Elétrica
C u r s o d e E n g e n h a r i a d e C o n t r o l e e Au t o m a ç ã o
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR CC/CC NÃO
ISOLADO E COM ELEVADO GANHO ESTÁTICO PARA APLICAÇÕES
EM FONTES RENOVÁVEIS
Prof. Roger Gules, Dr. Eng), [email protected]
Carlos Daniel Montagna Batista, [email protected]
Eduardo Kamaroski Neto, [email protected]
1 UTFPR
/ Av. Sete de Setembro,3165 / CEP: 80.230-901 / Curitiba-PR
Resumo: O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de uma topologia nova para conversor CC/CC não
isolado, de alto ganho estático, baseado em modificações no boost padrão, para aplicações em fontes renováveis.
Diversas topologias de conversores CC/CC são analisadas, e a topologia proposta é a mescla das tecnologias de
capacitor chaveado, indutor acoplado, e estrutura multifase. O protótipo desenvolvido obteve eficiência de 85%,
abrindo caminho para o desenvolvimento de novas topologias que fomentem ainda mais a disseminação da utilização
de fontes de energia mais sustentáveis.
Palavras-chave: Conversores CC/CC, Conversor Boost, Energias Renováveis, Processamento Eletrônico de Potência.
1. INTRODUÇÃO
Há milhares de anos, o petróleo tem sido utilizado por povos antigos. A partir da década de 1930, entretanto, seu
uso cresceu exponencialmente, quando tornou-se a força motriz com o fomento dos motores a combustão interna. Na
mesma medida que veio o progresso, surgiram os conflitos devido ao precioso óleo. Das crises da década de 70, até a
recente guerra ao Iraque, o petróleo tem sido o protagonista de intensas disputas.
Mais recentemente, a preocupação ambiental vem tornando mais visível o real efeito devastador de economias tão
dependentes dos combustíveis fósseis. Atualmente, é inquestionável a associação entre os gases emitidos na queima
destes combustíveis com o efeito estufa.
As matrizes energéticas tem sido então, questionada por todos os níveis da sociedade quanto à sua capacidade de
serem sustentáveis – tanto no que se refere às relações entre os povos como da capacidade destas matrizes de suprirem
a demanda pelo crescimento de forma aliada à preservação do meio.
As fontes renováveis de energia, tais como a solar, eólica e células a combustível, tem recebido fortes
investimentos, tanto no setor privado como estatal, por representarem o rompimento com este panorama extremado de
dependência e impactos ambientais.
Contudo, estas fontes contém uma série de desafios tecnológicos que devem ser superados afim de que sua
disseminação e acesso à mercados restritos seja factível. A maior das barreiras para a suplantação dos combustíveis
fósseis pelas energias renováveis é o seu custo de operação. Por se tratarem de equipamentos de geração de energia que,
em geral, operam em escala de potência muito reduzida quando comparado às fontes tradicionais, seu custo por kWh
gerado é bastante superior.
Neste contexto, o desenvolvimento de novas tecnologias que venham a prover de melhorias na eficiência,
aplicabilidade e retorno financeiro das tecnologias em geração por fontes limpas, são essenciais para que a matriz
energética seja, efetivamente, alinhada com as atuais expectativas de sustentabilidade.
As fontes geradoras por energia renovável apresentam, em sua maioria, tensão de saída com baixos valores de
amplitude e em corrente continua. Quando analisadas perante um sistema em corrente alternada e com valores bastante
superiores de tensão, estas fontes apresentam entraves na aplicabilidade.
Inúmeras são as soluções existentes no mercado para executar a conversão CC/CA, com elevados índices de
eficiência. Estes dispositivos, entretanto, necessitam de tensões típicas de alimentação em torno de 400V, afim de que
tensões alternadas de boa qualidade sejam produzidas. Em uma situação de utilização com células a combustível, onde a
tensão de saída típica é em torno de 40V, o ganho estático necessário seria de dez vezes o valor da entrada. As soluções
existentes no mercado para esta situação são escassas, e raramente focadas as às necessidades específicas das fontes
renováveis, tais como a alta eficiência, portabilidade e baixo custo.
Há, desta forma, uma necessidade imperiosa do desenvolvimento de novas topologias de elevação CC/CC. O
desenvolvimento de tecnologias nesta área representa um ganho direto na disseminação da geração limpa.
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná
2. TOPOLOGIAS DE CONVERSÃO CC/CC
O conversor elevador de tensão clássico é o da topologia boost, ilustrada na Fig. (1) . Seu funcionamento é bastante
simples, dividido em dois estágios. No primeiro instante, a chave S encontra-se fechada e o indutor L é carregado.
Quando a chave abre, a energia armazenada no indutor, juntamente com a oriunda da fonte, são fornecidas à carga R,
traduzindo em elevação de tensão.
Figura 1. Topologia boost clássica
O ganho estático do boost clássico é definido através da Eq.(1), onde D é a razão cíclica de chaveamento.
A Eq.(1) sugere que o ganho estático do conversor poderia ser infinito, desde que a razão D fosse suficientemente
alta. Entretanto, esta equação não leva em conta as perdas na chave, o que fazem o ganho estático do boost ser limitado
a cinco na prática, bastante inferior ao necessário para uma aplicação em fontes renováveis.
Desta forma, o desenvolvimento de novas topologias é necessário para incrementar o ganho estático.
2.1. Conversores de Alto Ganho Estático
A tecnologia de capacitores chaveados permite a obtenção de ganhos estáticos bastante superiores aos obtidos pelo
boost padrão. A topologia é exibida na Fig.(2). Seu funcionamento se dá através do chaveamento encadeado dos
capacitores, entretanto a complexidade de controle do circuito é grande.
Figura 2. Topologia com capacitores chaveados
Fonte: Adaptado de Li e He (2010).
Indutores podem ser acoplados para funcionar como fontes de tensão, e assim, incrementar o ganho estático,
conforme exibido na Fig. (3). Apesar da capacidade de obtenção de um alto ganho estático, através da relação de
transformação dos acoplamento, o circuito opera sob comutação dissipativa e as perdas são relevantes.
Figura 2. Topologia com indutor acoplado
Fonte: Adaptado de Li e He (2010).
As estruturas apresentadas podem ainda ser distribuídas em uma combinação multifase, isto é, ramos adicionais do
circuito são adicionados em paralelo, e o funcionamento das chaves é distribuído ao longo do período de chaveamento.
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná
2.2. Topologia Proposta
A topologia proposta para desenvolvimento do novo conversor CC/CC é exibida na Fig. (3). A topologia usa os
princípios do indutor acoplado, capacitor chaveado e estrutura multifase. Estão destacados os elementos que
configuram este desenvolvimento como inédito, que são os enrolamentos secundários nos indutores, L S1 e LS2, e os
diodos de recuperação reversa, DR1 e DR2. A contribuição dos diodos de recuperação é oferecer um caminho alternativo
à energia de dispersão do acoplamento de indutores e permitir que os capacitores sejam carregados com ela.
Figura 3. Topologia proposta
O acoplamento magnético, associado com as estruturas dos capacitores multiplicadores C M1 e CM2 irá permitir a
obtenção de altos valores de ganho estático. O funcionamento do circuito é dividido em oito estágios, entretanto, como
a estrutura é multifase, os quatro primeiros são análogos aos quatro últimos, sendo que a análise procedente se limitará a
quatro estágios. O valor da razão cíclica considerada é D=0,8 e os indutores operam em condução contínua.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 4. Estágios de Funcionamento
O primeiro estágio, ilustrado pela Fig.(4.a) ocorre quando ambas as chaves estão acionadas. A fonte carrega os
enrolamentos primários dos indutores, e o capacitor C S alimenta a carga na saída. O próximo estágio de funcionamento,
definido na Fig.(4.b) ocorre quando a chave S2 abre. Neste instante, o capacitor multiplicador CM1 recebe energia da
fonte, o enrolamento primário LP2 começa a se descarregar em seu secundário, que fornece energia à carga, juntamente
com CM2. No momento em que o capacitor CM2 está completamente carregado, inicia-se o terceiro estágio, ilustrado
pela Fig.(4.c) e o acoplamento magnético atinge seu estado máximo de descarregamento. Quando a chave S 2 é
novamente acionada, caracterizando o último estágio, ilustrado pela Fig.(4.d) a corrente de recuperação reversa do
diodo DS2 polariza o diodo de recuperação DR2, permitindo que a energia de dispersão do acoplamento seja recuperada e
entregue ao capacitor CM2 e ao enrolamento LS2. No próximo estágio, S1 é comutada e o circuito segue com operação
análoga ao analisado.
O ganho estático obtido pela topologia é expresso pela Eq.(2). Considerando uma entrada com 24V, D=0,8 e
relação de transformação n=2, a saída é 432V.
Equação 2. Ganho estático do conversor
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2.3. Implementação Prática
O conversor em funcionamento pode ser verificado na Fig. (5), em um protótipo de 200W. Na ilustração, duas
lâmpadas de 100W/220V conectadas em série são plenamente acesas a partir de uma associação em série de duas
baterias. A tensão de saída obtida foi de 489,4V, com entrada de 22,99V.
Figura 5. Conversor proposto em funcionamento
O rendimento do conversor pode ser observado através da curva ilustrada na Fig (6). Para a potência nominal de
operação, em 200W, o conversor apresentou um rendimento de 85%.
Figura 6. Curva de rendimento do conversor
3. CONCLUSÕES
O desenvolvimento do presente trabalho corrobora a tese de que o campo para desenvolvimento de novas
topologias em conversores CC/CC é bastante promissor. O protótipo desenvolvido, ainda que limitado perante as
características não-lineares oriundas da construção artesanal dos indutores, apresentou rendimento satisfatório quando
analisado na situação de plena carga.
A entrada em comutação do circuito é suave, ou seja, não há perda de potência. Entretanto, no momento de abertura
das chaves, a corrente perdura no componente, gerando perdas sensíveis. O próximo estágio no desenvolvimento da
topologia é o atingimento da comutação suave também na abertura da chave. Isto permitirá trabalhar em frequências
mais elevadas, com um protótipo de menores dimensões e eficiências mais altas.
4. REFERÊNCIAS
BARBI, Ivo; MARTINS, D.C. Conversores CC-CC Básicos Não Isolados. 3. Ed. Florianópolis: Do Autor, 2008.
ERICKSON, Robert W; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. Massachusetts: 3.ed. New York:
Kluwer Academic, 2008.
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná
FUEL Cell. Wikipedia, The Free Encyclopedia. Disponível em: < http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell>. Acesso em
27 mai. 2011.
GULES, Roger et al. Multifase Voltage Multiplier Cells Applied to Non-Isolated DC-DC Converters. IEEE
Transactions on Power Electronics, 2008.
LI, Wuhua; HE, Xiangning. A Review of Non-Isolated High Step-Up DC/DC Converters in Renewable Energy
Applications. IEEE, 2010.
RASHID, Muhammad H. Power Electronics Handbook - Circuits, Devices and Applications.2. ed. Burlington, US:
Elsevier, 2008.
WAI, R.J.; DUAN, R.I. High-efficiency DC/DC converter with high voltage gain. IEEE, 2005.
ZHAO, Qun; LEE, Fred C. High-Efficiency, High Step-Up DC-DC Converters. IEEE, 2003.
5. DIREITOS AUTORAIS
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