Pesquisa e Desenvolvimento de Conversor CC-CC

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR CC-CC PARA
APLICAÇÃO EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Autores: Samuel PINHEIRO, Cleyton T. PAZ, Tiago DEQUIGIOVANI, Jessé de PELEGRIN, Marcos FIORIN.
Identificação autores: Estudante de Graduação de Engenharia de Controle e Automação; Estudante de Graduação de
Engenharia de Controle e Automação; Professor orientador IFC-Campus Luzerna; Professor colaborador IFCCampus Luzerna; Professor colaborador IFC-Campus Luzerna.
Introdução
Nos últimos anos, o interesse na pesquisa em fontes de energia renováveis tem
aumentado consideravelmente, devido à elevação no consumo mundial, aquecimento
global e poluição. A exemplo das células solares e células a combustível, diversas
fontes renováveis fornecem energia elétrica na forma de corrente contínua (CC), sendo
necessária aplicação de conversores de potência para adequá-las à necessidade da carga
a ser conectada (Carrasco et al., 2006). Especificamente sobre a energia solar, de acordo
com (Alves et al., 2014), relatórios recentes indicam que o Brasil tem potencial anual de
geração fotovoltaica de 24,993 TWh, mas tem instalada ou em construção apenas 15,12
MW. Tais dados, em conjunto com o cenário energético atual, mostram a defasagem no
desenvolvimento de setor e justificam a necessidade de investimentos em pesquisa
voltada à energia fotovoltaica no Brasil.
Neste trabalho, um conversor CC-CC isolado é aplicado para a conexão de
placas fotovoltaicas à um barramento CC, denominado DC microgrid. Uma microgrid é
um sistema que pode operar de forma autônoma, sem a necessidade de conexão à uma
rede de distribuição. Consiste em pequenos geradores eólicos, células à combustível,
módulos de painéis fotovoltaicos, entre outros (Phurailatpam et al., 2015).
O
barramento pode ser alimentado pelas diferentes fontes de energia através de
conversores de potência individuais. A este barramento podem ser conectadas cargas
CC, cargas CA, banco de baterias, etc. (Scortegagna et al., 2014).
Para o projeto do conversor considera-se a utilização de painéis fotovoltaicos
de 240 Wp (Watts pico) cada, com fornecimento de até 30 V em corrente contínua. O
conversor apresentado é projetado para tensão 15 a 30 V de entrada, saída de 400 V e
potência nominal de 1 kW, portanto suporta a conexão de até quatro painéis
fotovoltaicos conectados em paralelo.
Material e Métodos
De modo a atender as especificações do projeto, foram pesquisadas topologias
de conversores CC-CC para o processamento da energia fotovoltaica. Uma vez que, ao
barramento CC podem ser conectadas fontes de energia distintas, é requerido um
conversor isolado para a conexão de cada fonte ao barramento. Os conversores isolados
apresentam uma isolação galvânica entre entrada e saída, obtida através de um
transformador. Existem diversas topologias de conversores isolados, entre os quais, os
mais conhecidos e utilizados são os conversores Flyback, push-pull, meia ponte (halfbridge ) e ponte completa (full bridge ) (Mohan et al., 1989).
Os conversores Flyback, push-pull e meia ponte, contudo, são recomendados
para aplicações onde a potência média é inferior a 500 W. Já o conversor em ponte
completa é recomendado para aplicações onde a potencia média é de até 1500 W
(Martins e Barbi, 2008). Conforme as especificações deste projeto a potência deve ser
de 1 kW, portanto o conversor adotado é a topologia ponte completa na etapa inversora.
A topologia completa do conversor é mostrada na Figura 1, o qual consiste em
um inversor ponte completa (estágio CC/CA), um transformador operando em alta
frequência (estágio CA/CA), um retificador em ponte no secundário (estágio CA/CC) e
um filtro LC na saída. O circuito grampeador mostrado é opcional. A fonte VIN
representa a tensão gerada pelas placas fotovoltaicas.
Figura 1 - Topologia para conversor CC-CC em ponte completa
Dentre os componentes utilizados para a implementação do conversor, os
elementos magnéticos (transformador e indutor) tem o procedimento de projeto mais
complexo. A metodologia de projeto utilizada é descrita em (Mohan et al., 1989; Barbi,
2006). Na Tabela 1 são descritos os parâmetros de projeto do transformador e dos
elementos de filtro (indutor e capacitor). Conforme observa-se na Tabela 1, a relação de
transformação do transformador é de 27 vezes. Na Tabela 2 são apresentadas as
especificações dos demais componentes.
Tabela 1 - Especificações do transformador e do filtro LC
Núcleo do transformador
EE 55/28/21
Espiras do primário (Np)
2 x 10 AWG18
Espiras do secundário (Ns)
54 x 1 AWG18
Frequência de chaveamento do conversor
20 kHz
Ondulação de corrente no indutor
20%(2,5 A)
Indutância de filtro (Lf)
5 mH
Núcleo do filtro
EE 55/28/21
Espiras do filtro
142 x 2 AWG21
Entreferro
1,8 mm
Capacitância do filtro (Cf)
100 nF
Ondulação de tensão no capacitor
5%(400 V)
Tabela 2 - Especificações dos semicondutores
D1 a D4
HFA08TB120 (8A, 1200V, trr=28 ns)
S1 a S4
IRGP4063 (48A a 100°C)
Resultados e discussão
Os resultados experimentais do conversor foram obtidos para a potência de saída
de 700 W, tensão de entrada 30 V e tensão de saída 400 V. As Figuras 2, 3 e 4 mostram
as formas de onda obtidas experimentalmente com o osciloscópio.
Para o comando dos dispositivos controlados (transistores S1 a S4), utilizou-se
modulação PWM Phase-Shift (deslocamento de fase), implementada através do
microcontrolador NXP LPC1343 e como circuito de drive o CI HCPL3150. As formas
de onda do PWM são mostradas na Figura 2. Observa-se em 2(a) e 2(b) que as chaves
S1 e S2, e S3 e S4 nunca são comandadas ao mesmo tempo, existindo inclusive um
tempo morto. A defasagem entre as chaves S1 e S4 e entre S1 e S3, que caracterizam a
modulação phase-shift, pode ser observada nas Figuras 2(c) e 2(d).
O funcionamento do estágio inversor (CC/CA) pode ser observado na Figura 3,
onde a tensão alternada no primário (CH1) e no secundário (CH2) do transformador são
apresentadas. Verifica-se que a relação entre os valores eficazes das tensões de saída e
entrada é de aproximadamente 29 vezes.
S1
S2
S3
S4
(a)
(b)
S1
S1
S3
S4
(c)
(d)
Figura 2 - Tensão de comando nos transistores
tensão de
grampeamento
Figura 3 - Tensão no primário e secundário
Figura 4 - Tensão retificada e na carga
Na Figura 4 observar-se a forma de onda de tensão após a etapa de retificação
(CA/CC), no canal 2 (CH2), e a tensão na carga (após o filtro LC), no canal 1 (CH1).
Verifica-se que a tensão média na saída é de aproximadamente 400 V. Devido à
elementos parasitas do transformador e dos transistores, foi necessário utilizar um
circuito grampeador de tensão, do tipo RCD (S.-Y. Lin e C.-L. Chen, 1998), para
assegurar que os diodos da ponte retificadora não sejam danificados por sobretensão.
Utilizaram-se os componentes: R = 82 kΩ -5 W, C = 47 nF e D = HFA08TB120.
Conclusão
O conversor CC-CC estudado neste trabalho foi implementado, apresentando
resultados experimentais coerentes com o objetivo. No entanto, perdas causadas por
efeito Joule no estágio inversor, limitam significativamente a potência máxima obtida
na carga. Isso pode ser verificado na Figura 3, onde a tensão no primário tem uma
queda em torno de 5 V em relação à fonte. Além disso, para aumentar a potência na
carga, deve-se aplicar outras técnicas de construção para o transformador, com o
objetivo de reduzir os elementos parasitas, como capacitâncias entre os enrolamentos.
Referências
ALVES, G.; MORAES, L.; MARAFÃO, F.; Serni, P.; SIMÕES, M. Energia Solar no
Brasil: Legislação, Políticas Públicas e Desafios para a Instalação de Sistemas
Fotovoltaicos e Termossolares. O Setor Elétrico, Ed. 104, p. 72-83, 2014.
BARBI, I. 2006. Projeto de Fontes Chaveadas, Edição do autor, UFSC, 2 ed.
CARRASCO, J. M.; et al. Power-electronic systems for the grid integration of
renewable energy source: A survey. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 53,
n. 4, p. 1002-1016, 2006.
LIN, S.-Y.; CHEN, C.-L., Analysis and design for rcd clamped snubber used in output
rectifier of phase-shift full-bridge zvs converters. IEEE Transactions on Industrial
Electronics, v. 45, n. 2, p. 358–359, 1998.
MARTINS, D. C.; BARBI, I. 2008. Eletrônica de Potência: Introdução ao Estudo dos
Conversores CC-CA. Edição dos autores, Florianópolis, 2 ed.
MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; ROBBINS, W. P. 1989. Power Electronics:
Converters, Applications, and Design. Jhon Wiley, New York – USA, 2 ed.
PHURAILATPAM, C.; SANGRAL, R.; RAJPUROHIT, B. S.; SINGH , S. N.;
LONGATT, F. G. Design and analysis of a dc microgrid with centralized battery energy
storage system. Annual IEEE India Conference (INDICON), p. 1-6, 2015.
SCORTEGAGNA, R. G.; STEIN, C. M. O.; DEQUIGIOVANI, T. A high step-up DCDC Interleaved Flyback Converter for DC Microgrids Applications. PCIM South
America: International Conference and Exhibition for Power Electronics, Intelligent
Motion, Renewable Energy and Energy Management, p. 306-313, 2014.