GUILHERME ANDREW TOMASI HERTZ.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

INVERSOR CONECTADO A REDE ELÉTRICA PARA APLICAÇÃO EM

GERAÇÃO DISTRIBUÍDA COM ENERGIA FOTOVOLTAICA

Guilherme Andrew Tomasi Hertz

Fortaleza

Dezembro de 2010

ii

GUILHERME ANDREW TOMASI HERTZ



Monografia submetida à Universidade Federal do

Ceará como parte dos requisitos para obtenção do

grau de Graduado em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé

Fortaleza

Dezembro de 2010

iv

AGRADECIMENTOS

Inicialmente agradeço aos meus pais, Heloisa e Mauri e minha tia Adriana por todo

apoio e carinho durante a realização deste trabalho, e durante toda minha vida.

Agradeço à equipe que me ajudou a desenvolver este trabalho, meu orientador Prof.

Dr. René Pastor Torrico Bascopé, por toda paciência, apoio e conhecimento compartilhado.

Ao meu co-orientador Prof. Msc. Luiz Daniel S. Bezerra que ajudou muito, principalmente

nas etapas iniciais do trabalho. E ao meu colega e amigo Dante Shimoda que compartilhou

comigo os momentos de desenvolvimento do trabalho.

A todos os professores do departamento de engenharia elétrica da UFC, em especial

o Prof. Dr. Demercil Oliveira e Prof. Dr. Fernando Antunes.

Aos meus colegas amigos da engenharia elétrica, agregados e velhos amigos, que

sempre me motivam para continuar trabalhando: James, Luique, Bebel, Babal, Gino, Jaja,

Farelo, Igu, Germano, Guizão, Dalton, Bac, Wellingtinho, Vidal, Catunda, Pedro qdac,

Daniel, Marjorie, Deivid, Marcos, Pyrox, Joquinha, Cadu, Rathner, Thiago doido, Lucas,

Saulo, Analu, Hermínio, Nathan, Rômulo, Samuel, Glau, Amanda, Atália, Julia, Fofão,

Fofinha, Gean, Levy, Glauber, Israel, Gilberto, Abel, Lupacs, PA, PJ, Gordo, Quinderé e

Fontenele, Paula, Dynara, Rodolfo, Lissa, Marininha...

À UFC, Astef, Capes e DAAD que ajudaram financeiramente com bolsas durante a

iniciação científica, e me proporcionaram uma grande experiência de intercâmbio para

Alemanha.

Aproveito para agradecer ao Prof. Ing. Ingo Stadler que me auxiliou durante a estadia

na cidade de Colônia e agradeço também a todos os amigos que fiz nesta cidade maravilhosa:

Danilo, Aline, Fran, Julio, Fritz, Azad, Natalinha, Érica, Tono, Lilian, Nina, Camila, Tati,

Diogo, Holger, Ben, Rene, David, Josana, Gabriel, Paulo, Maria, Elisa, Inesita, Lia, Paula,

Laura, Miriam...

Enfim... Agradeço a todos que me ajudaram de alguma forma.

E me perdoe se esqueci alguém!

Muito obrigado!

v

RESUMO

Resumo da monografia apresentada a Universidade Federal do Ceará como parte dos

requisitos para obtenção do grau de Graduado em Engenharia Elétrica.



Guilherme A. T. Hertz

Esta monografia consiste no estudo de um inversor de tensão para aplicação em

geração distribuída de energia utilizando painéis fotovoltaicos. O inversor sob estudo

apresenta características de fonte de tensão na entrada e fonte de corrente na saída,

denominado na literatura de inversor VSI (Voltage Source Inverter), e deve ser capaz de

injetar energia na rede elétrica da concessionária. Na entrada do inversor é conectado um

conversor Boost clássico com MPPT (Maximum Power Point Tracker) estudado em outro

trabalho, que fornece uma tensão contínua de 400V. No conteúdo do trabalho, é feita uma

breve revisão sobre topologias monofásicas inversoras e as estratégias de controle

normalmente usadas, e logo é apresentada a proposta de trabalho. Na seqüência, para o

inversor escolhido é feita uma análise qualitativa e quantitativa. Finalmente, é desenvolvido

um exemplo de projeto para uma potência de saída de 700VA, tensão de entrada de 400VCC

e tensão de saída eficaz de 220VCA. Os resultados do exemplo de projeto são verificados

mediante simulação.

Número de páginas: 87.

Palavras-chave: Eletrônica de Potência, Conversores CC-CA, sistemas interligados à

rede.

vi

ABSTRACT

Abstract of dissertation presented at Federal University of Ceará as partial of

fulfillment of the requirements for the Graduation degree in Electrical Engineering.

GRID CONNECTED INVERTER FOR DISTRIBUTED GENERATION

APLICATIONS WITH PHOTOVOLTAIC ENERGY

This project consists in a study of a voltage inverter applicable to photovoltaic

energy generation. The studied inverter presents in the input, a voltage source characteristic,

and a current source characteristic in the output, it is called VSI (Voltage Source Inverter) in

the literature and it should to be capable to transfer power to grid. The input receives a 400V

continuous tension from the photovoltaic module and a classic boost converter with MPPT

(Maximum Power Point Tracker), which is studied in a parallel work. In this work contents, a

brief review of single-phase inverter topologies and control strategies is done, and then is

presented the proposed work. Following, to the chosen inverter, a qualitative and quantitative

analysis is done. Finally, a project example with 700VA output power is developed, with a

400VCC input und 220VAC output. The project example results are verified in the

simulation.

vii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. X

LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ XIII

LISTA DE SÍMBOLOS ...................................................................................................... XIV

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... XVII

INTRODUÇÃO GERAL ......................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................ 3

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E SISTEMA PROPOSTO ........................................... 3

1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 3

1.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA .......................................................................... 3

1.3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTEGRADOS A REDE ELÉTRICA ...................................... 4

1.4 REVISÃO DE TOPOLOGIAS DE INVERSORES DE TENSÃO MONOFÁSICOS ...................... 5

1.5 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE ........................ 8

1.6 SISTEMA PROPOSTO .................................................................................................. 10

1.7 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 11

CAPÍTULO 2 .......................................................................................................................... 13

2 ANÁLISE QUALITATIVA E EXEMPLO DE PROJETO ........................................ 13

2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 13

2.2 ANÁLISE QUALITATIVA ............................................................................................ 13

2.2.1 Topologia sob Análise .................................................................................. 13

2.2.2 Tipos de Modulação PWM .......................................................................... 14

2.3 ANÁLISE QUANTITATIVA .......................................................................................... 18

2.3.1 Valor de Pico da Tensão de Saída ................................................................ 19

2.3.2 Índice de Modulação .................................................................................... 19

2.3.3 Corrente Eficaz de Saída .............................................................................. 19

2.3.4 Corrente de Pico de Saída ............................................................................ 19

2.3.5 Resistência de Carga .................................................................................... 20

viii

2.3.6 Corrente Média de Entrada .......................................................................... 20

2.3.7 Corrente Eficaz no Indutor ........................................................................... 20

2.3.8 Corrente de Pico no Indutor, nos interruptores e no diodo em Antiparalelo 20

2.3.9 Indutância do Filtro de Saída ....................................................................... 21

2.3.10 Capacitor de Filtro de Saída ......................................................................... 21

2.4 EXEMPLO DE PROJETO .............................................................................................. 21

2.4.1 Especificações do Inversor ........................................................................... 21

2.4.2 Considerações do Projeto do Inversor .......................................................... 22

2.4.3 Determinação das Grandezas Envolvidas .................................................... 22

2.4.4 Determinação dos Esforços nos Componentes ............................................ 23

2.4.5 Dimensionamento dos Componentes ........................................................... 23

2.5 ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES ......................................................................... 24

2.5.1 Interruptores ................................................................................................. 24

2.5.2 Indutor .......................................................................................................... 25

2.6 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO ................................................................................... 25

2.7 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 29

CAPÍTULO 3 .......................................................................................................................... 30

3 CIRCUITO DE CONTROLE DO INVERSOR DE TENSÃO ................................... 30

3.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 30

3.2 MODELO DA CHAVE PWM ....................................................................................... 30

3.3 EQUACIONAMENTO ................................................................................................... 32

3.4 PROJETO DO CONTROLE ............................................................................................ 34

3.4.1 Malha de corrente ......................................................................................... 34

3.4.2 Malha de Tensão .......................................................................................... 40

3.5 ESPECIFICAÇÃO DOS COMPONENTES ......................................................................... 45

3.5.1 Sensor ........................................................................................................... 45

3.6 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO DO SISTEMA EM MALHA FECHADA .............................. 45

3.7 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 49

CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................... 51

4 INTERLIGAÇÃO DOS ESTÁGIOS E AVALIAÇÃO DO SISTEMA ..................... 51

ix

4.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 51

4.2 INTERLIGAÇÃO DOS ESTÁGIOS................................................................................... 51

4.3 RESULTADOS DE SIMULAÇÃO .................................................................................... 51

4.4 ANÁLISE DE HARMÔNICOS E RENDIMENTO DO SISTEMA ............................................ 55

4.5 CONCLUSÃO .............................................................................................................. 57

CONCLUSÃO GERAL ......................................................................................................... 58

PERSPECTIVA DE TRABALHOS POSTERIORES ........................................................ 59

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 60

APÊNDICE A ......................................................................................................................... 64

APÊNDICE B .......................................................................................................................... 67

APÊNDICE C ......................................................................................................................... 70

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Inversor em ponte completa tradicional. ................................................................ 6

Figura 1.2 – Inversor em meia ponte. ......................................................................................... 6

Figura 1.3 – Inversor Boost de quatro interruptores de Cáceres e Barbi. ................................... 7

Figura 1.4 – Inversor Buck-Boost bidirectional isolado de quatro interruptores. ....................... 7

Figura 1.5 – Buck-Boost isolado de 6 interruptores de Nagao e Harada. ................................... 8

Figura 1.6 – Visão geral do sistema fotovoltaico. ...................................................................... 9

Figura 1.7 – Visão geral do sistema fotovoltaico controlado. .................................................... 9

Figura 1.8 – Diagrama de blocos usando uma malha de corrente com controlador PI. ........... 10

Figura 1.9 – Sistema proposto. ................................................................................................. 11

Figura 1.10 – Diagrama de blocos da estratégia de controle adotada. ..................................... 11

Figura 2.1 – Inversor em ponte completa. ................................................................................ 13

Figura 2.2 – Etapas de operação do inversor com SPWM unipolar. ........................................ 15

Figura 2.3 – Formas de onda básicas para um período de comutação. .................................... 15

Figura 2.4 – SPWM unipolar com duas portadoras triangulares e uma moduladora senoidal. 16

Figura 2.5 – Etapas de operação do inversor com SPWM unipolar. ........................................ 17

Figura 2.6 - SPWM bipolar com uma portadora triangular e uma moduladora senoidal........ 18

Figura 2.7 – Circuito de potência simulado. ............................................................................. 26

Figura 2.8 – Circuito de geração da modulação SPWM unipolar. ........................................... 26

Figura 2.9 – Tensão de saída do inversor. ................................................................................ 26

Figura 2.10 – Corrente de saída do inversor. ............................................................................ 27

Figura 2.11 – Corrente e tensão na interruptor S3. ................................................................... 27

Figura 2.12 – Tensão de saída e corrente de saída ampliada quando uma fonte de tensão é

aplicada na saída. ...................................................................................................................... 28

xi

Figura 3.1 – Conversor Buck com sua chave PWM. ................................................................ 30

Figura 3.2 – A chave PWM. ..................................................................................................... 31

Figura 3.3 – Modelo CA da chave PWM. ................................................................................ 31

Figura 3.4 – Modelo CA da chave PWM do conversor Buck. ................................................. 32

Figura 3.5 – Modelo CA da chave PWM para o conversor Buck quando 0ov

. .................... 33

Figura 3.6 – Diagrama de blocos da estratégia de controle adotada. ....................................... 34

Figura 3.7 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de corrente sem compensador.

.................................................................................................................................................. 35

Figura 3.8 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de corrente sem compensador.

.................................................................................................................................................. 35

Figura 3.9 – Curvas de avanço de fase em função do fator K. ................................................. 37

Figura 3.10 – Compensador PI com filtro para a malha de corrente. ....................................... 38

Figura 3.11 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de corrente com

compensador. ............................................................................................................................ 39

Figura 3.12 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de corrente com compensador.

.................................................................................................................................................. 39

Figura 3.13 – Diagrama de blocos da malha de tensão. ........................................................... 40

Figura 3.14 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de tensão sem compensador.

.................................................................................................................................................. 41

Figura 3.15 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de tensão sem compensador. 41

Figura 3.16 – Compensador PI com filtro para a malha de tensão. .......................................... 43

Figura 3.17 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de tensão com compensador.

.................................................................................................................................................. 44

Figura 3.18 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de tensão com compensador.44

Figura 3.19 – Circuito do inversor monofásico simulado. ....................................................... 46

xii

Figura 3.20 – Modulador SPWM unipolar. .............................................................................. 46

Figura 3.21 – Circuitos controladores de; (a) tensão e (b) corrente. ........................................ 46

Figura 3.22 – Forma de onda da corrente de entrada, tensão no barramento e corrente de saída.

.................................................................................................................................................. 47

Figura 3.23 – Detalhe da forma de onda da corrente de saída. ................................................. 47

Figura 3.24 – De cima para baixo tem-se respectivamente, corrente de entrada do inversor,

tensão e corrente de saída do inversor, tensão no barramento.................................................. 48

Figura 3.25 – Tensão sobre a interruptor S3. ........................................................................... 48

Figura 4.1 – Conversor Boost e circuito modulador. ............................................................... 52

Figura 4.2 – Painéis Fotovoltaicos e microcontrolador com MPPT......................................... 52

Figura 4.3 – Etapa de potência do inversor. ............................................................................. 52

Figura 4.4 – Malha de tensão do inversor e relé de interligação com a rede. .......................... 53

Figura 4.5 – Modulador PWM unipolar do inversor e malha de corrente do inversor. ........... 53


.................................................................................................................................................. 53

Figura 4.7 – De cima para baixo tem-se respectivamente: corrente de entrada do inversor.

tensão no barramento, corrente de saída. .................................................................................. 54

Figura 4.8 – De cima para baixo tem-se respectivamente: corrente de entrada do inversor,

tensão e corrente de saída do inversor, tensão no barramento.................................................. 54

Figura 4.9 – Esforços de tensão e corrente na interruptor S3 do inversor. ............................... 55

Figura 4.10 – Espectro de frequência da corrente de saída do sistema. ................................... 56

Figura 4.11 – Curva de rendimento do sistema completo: PF, conversor Boost e Inversor. ... 56

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Especificações do Inversor .................................................................................. 21

Tabela 2.2 – Considerações de projeto ..................................................................................... 22

Tabela 2.3 – Principais caracterísitcas HGTG12N60D1D ....................................................... 24

Tabela 2.4 – Parâmetros físicos da construção do indutor ....................................................... 25

Tabela 2.5 – Comparação dos valores teóricos e simulados .................................................... 28

Tabela 3.1 – Considerações de projeto de controle de corrente ............................................... 34

Tabela 3.2 – Considerações de projeto de controle de tensão .................................................. 40

Tabela 3.3 – Principais características do sensor ACS712ELCTR-05B-T .............................. 45

Tabela 3.4 – Comparação dos valores teóricos e simulados .................................................... 49

xiv

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Significado Unidade

Ângulo de avanço de fase requerido para o compensador º

fI Variação de corrente no indutor de filtro A

Rendimento adotado para o inversor -

AVi Ganho do compensador de corrente Db

maxB Densidade de fluxo máxima T

bC

Capacitância do capacitor do barramento F

fC Capacitor de filtro do inversor F

( )iC s

Função de transferência do compensador de corrente -

( )vC s

Função de transferência do compensador de tensão -

D Razão cíclica -

1,...,4D

Diodos em antiparalelo do IGBT -

mF Ganho do modulador -

cf Frequência de cruzamento do compensador Hz

rf Frequência da rede Hz

sf Frequência de comutação Hz

cciFTLA

Função de transferência de laço aberto com compensador de corrente -

ccvFTLA

Função de transferência de laço aberto com compensador de tensão -

sciFTLA

Função de transferência de laço aberto sem compensador de corrente -

scvFTLA

Função de transferência de laço aberto sem compensador de tensão -

xv

cG

Ganho do compensador -

hallG

Ganho do sensor hall -

( )iG s Função de transferência da planta da malha de corrente -

( )iH s

Função de transferência do ganho de corrente -

( )vH s

Função de transferência do ganho de tensão -

Hz Frequência em Hertz -

iI

Corrente média de entrada A

DpkI

Corrente de pico no diodo em antiparalelo do IGBT A

LI Corrente eficaz através do indutor A

LpkI

Corrente de pico através do indutor A

oI Corrente eficaz de saída do inversor A

opkI Corrente de pico de saída do inversor A

SpkI

Corrente de pico no interruptor A

J

Densidade de corrente A/cm²

K

Fator K para dimensionamento do compensador -

fL

Indutor de filtro de saída H

aM

Índice de modulação -

MF

Margem de fase da Função de transferência º

cciMF

Margem de fase da função de transferência com compensador de

corrente

º

ccvMF

Margem de fase da função de transferência com compensador de

tensão

º

P

Fase da função de transferência em um ponto no diagrama de Bode º

xvi

iP

Potência ativa de entrada W

oP

Potência ativa de saída W

1,2R

Resistências do compensador Ω

oR

Resistência de carga Ω

Lfr

Resistência intrínseca do indutor Ω

1,...,4S

Interruptores do inversor -

oS

Potência aparente de saída VA

V

Tensão em Volts -

oV

Tensão eficaz de saída V

opkV

Tensão de pico de saída V

TV

Valor pico-a-pico da triangular V

W

Potência em Watt -

Z

Impedância Ω

( )Z s

Função de transferência da planta da malha de tensão -

xvii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Símbolo Significado

avg Average (indica valor médio)

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

FT Função de Transferência

GD Geração Distribuída

IGBT Insulated Gate Bipolar Trasistor

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect

MPPT Maximum Power Point Tracking

PF Painel Fotovoltaico

PI Proporcional-Integral

PWM Pulse Width Modulation

rms Root Mean Square (indica valor eficaz)

SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation

TDH Taxa de Distorção Harmônica

VCA Tensão alternada

VCC Tensão Contínua

1

INTRODUÇÃO GERAL

O sol é a maior fonte de energia que o nosso planeta possui. Se uma parte de toda

essa energia proveniente do sol fosse convertida em energia elétrica, os problemas de energia

em todo o mundo poderiam ser sanados. Para se ter idéia, a quantidade de energia solar que

atinge a Terra em dez dias é equivalente a todas as reservas de combustíveis conhecidas [1] .

A forma mais direta de converter energia solar em elétrica, que se tem disponível

hoje, são os painéis fotovoltaicos. Essa forma de conversão é cada dia mais utilizada em

complementação aos métodos convencionais de geração de eletricidade, representado pelas

termoelétricas. Essa substituição se deve ao fato de que as fontes convencionais de energia,

além de esgotáveis, costumam ser altamente poluentes e tendem a ser evitadas devido às

atuais preocupações da população com o meio ambiente [1] .

A geração distribuída de energia elétrica a partir de painéis fotovoltaicos, ou seja, a

geração de energia elétrica paralelamente aos grandes geradores da concessionária de energia,

é uma solução adotada em vários países por possibilitar a produção de energia sem qualquer

peça móvel, sem ruído e sem emissão de gases ou resíduos poluentes [2] .

Neste sentido, os objetivos desse presente trabalho são o estudo de um sistema que

possibilite a conexão de painéis fotovoltaicos à rede pública e a simulação de um exemplo de

projeto de 700VA para comprovar a viabilidade e eficiência do sistema.

Os painéis utilizados neste trabalho pertencem a Universidade Federal Ceará e são da

Siemens modelo SM55 com 55W de potência. Ao todo serão 12 painéis que serão ligados em

série, totalizando uma potência de 660W. As condições climáticas favoráveis do País

permitem a implantação desse sistema, pois a incidência de raios solares se dá durante

praticamente o ano todo de forma constante nas regiões próximas à linha do Equador [2] .

Dessa forma, o sistema proposto neste trabalho é a associação de um estágio

elevador e um inversor para injeção de potência na rede. O estágio elevador se faz necessário,

pois os 12 painéis fotovoltaicos associados em série resultam em um tensão de 201V

aproximadamente, esta tensão não é suficiente para alimentar o inversor em ponte completa,

que necessita de uma tensão de alimentação com valor pelo menos acima do pico da senóide

gerada, no caso, 311V.

O trabalho será dividido da seguinte forma:

2

No capítulo 1 serão explanadas as principais motivações do trabalho, e feitas

algumas considerações iniciais do projeto como as topologias adotadas e a estratégia de

controle a ser utilizada para o desenvolvimento do sistema.

No capítulo 2 será dado enfoque a análise quantitativa e qualitativa, projeto e

simulação do circuito de potência do inversor em malha aberta.

No capítulo 3 será abordado o projeto do controle analógico do inversor, e então, é

feita a simulação do circuito em malha fechada.

No capítulo 4 são interligados os estágio: inversor e boost alimentado por painéis

fotovoltaicos (PF). O inversor alimentado pelo conversor Boost, está ligado aos 12 painéis

fotovoltaicos em série. É feita a simulação do sistema interligado e é analisado o rendimento e

a presença de harmônicos no sistema.

3

CAPÍTULO 1

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E SISTEMA PROPOSTO

1.1 Introdução

Este capítulo introduz as principais idéias abordadas na literatura a cerca de geração

distribuída de energia utilizando painéis fotovoltaicos. Como dito, é feita uma introdução

sobre como se procede a geração distribuída de energia, principalmente utilizando painéis

fotovoltaicos e em seguida serão apresentadas idéias sobre os sistemas fotovoltaicos ligados a

rede elétrica.

Logo em seguida, uma revisão das topologias geralmente utilizadas em sistemas

fotovoltaicos interligados à rede elétrica é feita, discutindo as vantagens e desvantagens de

diferentes conversores. O método de controle para esse tipo de sistema também é discutido.

Por fim é detalhado o sistema proposto e que será estudado durante este trabalho.

1.2 Geração distribuída de Energia

Geração Distribuída (GD) é uma expressão usada para designar a geração elétrica

realizada junto ou próxima de consumidores, independente da potência, tecnologia e fonte de

energia. As tecnologias de GD têm evoluído para incluir potências cada vez menores. A GD

inclui:

Cogeradores

Geradores que usam como fonte de energia resíduos combustíveis de processo;

Geradores de emergência;

Geradores para operação no horário de ponta;

Painéis fotovoltáicos;

Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH's.

O conceito envolve, ainda, equipamentos de medida, controle e comando que

articulam a operação dos geradores e o eventual controle de cargas (ligamento/desligamento)

para que estas se adaptem à oferta de energia [3] .

http://www.inee.org.br/forum_co_geracao.asp

4

A GD tem vantagem sobre a geração central, pois economiza investimentos em

transmissão e reduz as perdas nestes sistemas, melhorando a estabilidade do serviço de

energia elétrica [3] .

O sistema de geração distribuída com energia fotovoltaica é uma solução para a

utilização do grande potencial da energia solar. Uma fonte de energia fotovoltaica é conectada

em paralelo com uma fonte local de eletricidade. Este sistema de geração distribuída

utilizando PF que está sendo implantado na Holanda em um complexo residencial de 5000

casas, sendo de 1 MW a capacidade de geração de energia fotovoltaica. Os Estados Unidos,

Japão e Alemanha têm indicativos em promover a utilização de energia fotovoltaica em

centros urbanos. Na Cidade Universitária - USP - São Paulo, há um prédio que utiliza este

tipo de fonte de energia elétrica [4] .

1.3 Sistemas Fotovoltaicos Integrados a Rede Elétrica

O sistema fotovoltaico integrado à edificação e interligado à rede elétrica é um

exemplo de fonte geradora de energia ideal para aplicação em áreas urbanas, principalmente

em países ensolarados. Além de gerar energia onde é necessário, ele faz uso de espaços já

existentes (envelope da edificação). Aspectos ambientais e o crescente aumento da demanda

energética mundial têm contribuído para a aceleração e desenvolvimento desta fonte

alternativa de energia [5] .

Experiências dos Estados Unidos e de outros países desenvolvidos têm demonstrado

que, em longo prazo, a prevenção da poluição através da diminuição de resíduos e de uma

produção com tecnologias mais limpas e eficientes, é mais sensata, tanto na relação custo

benefício, como também para o próprio meio ambiente, se comparado com tecnologias

tradicionais.

Aliado a estes fatores, surge cada vez mais, a necessidade da utilização de uma fonte

renovável de energia, de forma não poluente e sustentável. Neste caso, os sistemas solares

fotovoltaicos, integrados à edificação e interligados à rede elétrica estariam auxiliando na

redução deste grande impacto ambiental, causado pela devastação de áreas para a

implementação de grandes obras de geração de energia.

A tecnologia fotovoltaica é vista por muitos, como um caminho ideal para a geração

de energia, através de uma fonte inesgotável e não poluente. É um método de produção de

5

energia sustentável e amigável ao meio ambiente, trazendo benefícios tanto ambientais quanto

energéticos, uma vez que o material ativo na maioria dos painéis é o silício, que conforme

Hammond (1992), é o segundo elemento mais abundante na superfície da terra [5] .

Hoje em dia, o sistema integrado, faz parte do conceito de energia eficiente em

residências do Japão, Alemanha e parte dos Estados Unidos. Futuramente, ele poderá ser visto

em diversos edifícios públicos, residenciais e industriais.

No Brasil, a viabilidade está relacionada a incentivos tanto do governo quanto de

empresas privadas, que como nos países desenvolvidos, financiam e promovem os projetos,

com a finalidade de obter um maior desenvolvimento do país [5] .

1.4 Revisão de Topologias de Inversores de Tensão Monofásicos

Para desenvolver um sistema que permita a geração distribuída utilizando painéis

fotovoltaicos é necessário um conversor elevador de tensão o qual permite modificar a tensão

de saída CC dos painéis para a tensão desejada. E em seguida um inversor para converter em

uma tensão alternada, sincronizado com a rede.

Esta seção apresenta uma visão geral dos inversores monofásicos desenvolvidos para

pequenos geradores de energia distribuída. As funções de inversores em geração de energia

distribuída incluem a conversão CC-CA, saída com garantia de qualidade de energia,

mecanismos de proteção e controles do sistema. Os requisitos para pequenos sistemas de

geração distribuída de energia incluem o baixo custo, alta eficiência e tolerância para ampla

faixa de variações de tensão de entrada. Estes requisitos têm impulsionado o desenvolvimento

de topologias inversoras com estruturas mais simples, diminuição do número de

componentes, e volume reduzido. Ambos os conversores de estágio único e de múltiplos

estágios foram desenvolvidos para a conversão de energia em sistemas de GD. Em estágio

único, os inversores oferecem estrutura simples e de baixo custo, mas, sofrem de uma gama

limitada de variações de tensão de entrada e são geralmente caracterizadas pelo desempenho

do sistema. Por outro lado, inversores de múltiplos estágios aceitam uma ampla gama de

tensão de entrada, mas, apresenta um custo elevado, a estrutura é complexa e de baixa

eficiência [6] .

Neste trabalho, optou-se na utilização de inversores de único estágio. A seguir serão

propostas algumas topologias de inversores aplicáveis ao sistema a ser proposto.

6

a) Inversor em Ponte Completa

O inversor da Figura 1.1 apresenta uma topologia simples e com baixo número de

componentes, tornando-o de baixo custo e alta eficiência, em relação a outras topologias de

inversores. No entanto, os transformadores em baixa frequência na saída exigem um grande

volume e peso, e assim, são cada vez mais substituídos por transformadores de alta frequência

[6] .

Vi

S1

S2

S3

S4

Lf

CfC Vo

Figura 1.1 – Inversor em ponte completa tradicional.

b) Inversor em Meia Ponte

Apresenta, em geral, um custo inferior ao inversor em ponte completa devido ao

reduzido número de componentes, como pode ser visto na Figura 1.2, porém os esforços de

corrente nos semicondutores são dobrados porque a tensão aplicada na entrada do filtro é

reduzida pela metade [7] , sendo essa sua principal desvantagem. O conversor elevador

precisaria de um valor de tensão duas vezes maior na saída para alimentar este inversor.

Vi

S1

S2

Lf

CfVo

Vi/2

Vi/2

Figura 1.2 – Inversor em meia ponte.

c) Inversor Boost de Quatro Interruptores (Cáceres e Barbi [8] ).

A principal característica da topologia do inversor da Figura 1.3 é o fato de que a

mesma gera uma tensão de saída CA maior do que a entrada CC dependendo da razão cíclica.

Esta propriedade não é encontrada nos inversores de tensão clássicos, que produzem

uma saída CA instantânea sempre inferior à entrada CC. Para otimizar a dinâmica do inversor,

7

assegurando o funcionamento correto em qualquer condição de trabalho, um controle de

modo deslizante (slide mode control) foi utilizado. A principal vantagem do controle modo

deslizante sobre os esquemas de controle clássico é a sua robustez para as variações de

plantas, o que leva a rápida resposta dinâmica e boa resposta em regime permanente.

C1 C2

Vo

Carga

T1

T2

T3

T4Vi Cs

L2L1V1 V2

Figura 1.3 – Inversor Boost de quatro interruptores de Cáceres e Barbi.

d) Inversor Buck-Boost Isolado Bidirecional de Quatro Interruptores (Kjær e Blaabjerg

[9]

Um inversor Flyback dual proposto por Kjær e Blaabjerg está representado na Figura

1.4. Dois conversores Flyback bidirecional formam o circuito principal, e a carga é conectada

através de suas saídas. As entradas para os conversores são ligadas em paralelo juntos com a

fonte. O modo de operação é semelhante ao apresentado em [6] . Uma grande vantagem deste

inversor é a isolação galvânica fornecidos pelos transformadores de alta frequência. No

entanto, a utilização de dois transformadores sugere uma solução cara.

GridLac

Cac1

Sac1 Sdc1

PF

T1 T2

Sac2Sdc2

Cac2

PWM1 PWM2

Figura 1.4 – Inversor Buck-Boost bidirectional isolado de quatro interruptores.

8

e) Buck-Boost Isolado de 6 Interruptores (Nagao e Harada [10] ).

Um conversor Flyback (buck-boost isolado) proposto por Nagao e Haradana

mostrado na Figura 1.5 combina dois conversores Buck-Boost em uma ponte de quatro

interruptores com duas interruptores adicionais utilizadas para a comutação síncrona em cada

semiciclo da saída CA. As vantagens deste inversor incluem uma potência de saída desejada,

independentemente da tensão CC e isolação elétrica entre o PF e o circuito.

Lf

Cf

L

n²L

Q1

Q2

Q3

Q4

Q1' Q2'

C ZL

Vi

Figura 1.5 – Buck-Boost isolado de 6 interruptores de Nagao e Harada.

1.5 Estratégias de Controle para Sistemas Interligados à Rede

Para que o conversor atue adequadamente injetando a potência na rede, é necessário

um controle de corrente, caso contrário, a rede que forneceria potência para o conversor, pois

esta é considerada um barramento infinito.

Para que o inversor se mantenha em funcionamento, o barramento de entrada

necessita estar com seu valor de tensão controlado, devido a isso, é necessário também um

controle de tensão da entrada.

A seguir serão apresentadas algumas estratégias de controle que podem ser utilizadas

em sistemas fotovoltaicos interligados a rede.

a) Estudo de Controle para Sistemas PF Conectados a Rede [11]

O sistema é composto por um conjunto de PF (Painéis Fotovoltaicos), um conversor

Boost CC/CC e um inversor em ponte completa. O circuito Boost é usado não somente para a

elevação de tensão dos painéis, mas também para a realização do MPPT, conforme a Figura

1.6.

9

C1

Lo Db

T1

VQ1

VQ2

VQ3

VQ4

L RL

CUgrid

Igrid

U

Figura 1.6 – Visão geral do sistema fotovoltaico.

Existem duas estratégias de controle para sistemas fotovoltaicos conectados a rede

elétrica, o controle modo tensão e o controle modo corrente. Se o controle modo tensão é

aplicado para controlar a tensão de saída do inversor, o sistema possuirá duas fontes de tensão

em paralelo e não é possível regular a tensão da rede, porque depende de outras fontes de

energia. Portanto, não é fácil conseguir um bom desempenho do controle modo tensão. Para o

controle modo corrente, a rede elétrica se comporta como uma fonte de tensão constante e é

possível controlar a corrente através do indutor filtro de saída [12] [13] . Maiores detalhes do

controle e funcionamento do sistema podem ser vistos em [11] .

b) Controle PI Digital de Corrente para Sistemas com PF Interligados à Rede [14]

A Figura 1.7 fornece uma visão geral do sistema proposto. Consistem num conjunto

de painéis fotovoltaicos, um conversor Boost CC/CC, um inversor CC/CA, a rede elétrica e o

controlador.

C1

Lb Db

S0

PF S1

S2

S3

S4

Lf

Rrede

VredeCb

Etapa Inversora

T1

Etapa Elevadora

Circuito Driver

Controle de

correnteMPPT

VPF IPFPortadora

triangular

Iref

Iinv

Figura 1.7 – Visão geral do sistema fotovoltaico controlado.

A realimentação por um elemento de amostragem de corrente é fornecido a um

controlador PI. A corrente Iinv do inversor é monitorada e realimentada usando um elemento

10

de medição de corrente, que compara com uma determinada referencia de corrente Iref e cujo

erro passa por compensador de corrente. O sinal de saída do compensador de corrente é

comparado com um o mais portadoras (onda triangular). Usando o controle por corrente

média (Average Current Mode Control) a referência Iref é obtida da saída de um

multiplicador. O multiplicador faz a multiplicação do sinal de saída do compensador de

tensão com um sinal de sincronismo que apresenta o mesmo formato da rede. Isso garante que

Iinv esteja em fase com a rede elétrica e com um fator de potência sempre próximo do valor

unitário.Normalmente é usado o controlador PI pelo fato de reduzir o erro de corrente em

regime permanente. O controle por corrente média básico é mostrado na Figura 1.8.

Kp

Ki

Ganho

Iref

Iinv

Regulador PI

e U

Vm

Re

de

Figura 1.8 – Diagrama de blocos usando uma malha de corrente com controlador PI.

1.6 Sistema Proposto

O sistema foi determinado seguindo algumas características principais: custo,

robustez e simplicidade. Por sua simplicidade e principalmente baixo custo, o sistema

proposto é a associação de um conversor Boost clássico com um inversor clássico em ponte

completa com um transformador em baixa frequência na saída.

Para que se use o Boost clássico, é necessário que os painéis solares estejam ligados

em série, evitando a necessidade de um ganho muito alto do elevador de tensão, conforme

pode ser visto na Figura 1.9.

11

C1

Lb Db

S0

PF S1

S2

S3

S4

Lf

Rrede

VredeCb

Etapa Inversora

T1

Figura 1.9 – Sistema proposto.

O controle utilizado será o descrito em [11] , que possui as características desejadas

de controle da corrente de saída e tensão do barramento de entrada. O controle de corrente

mantém o fornecimento de potência do conversor na rede e a malha de tensão, mais externa,

controla o barramento de entrada. O controle pode ser inclusive implementado digitalmente,

conforme descrito em [14] . A Figura 1.10 mostra o diagrama de blocos da estratégia de

controle utilizado neste trabalho.

Cv(s)Vref

Hv(s)

Vi

-+

Vsincron.

multip.

Vref i -+ Ci(s) Fm(s) Gi(s) Z(s)

Hi(s)

ILD

d iL vi

MALHA DE CORRENTE

MALHA DE TENSÃO

Figura 1.10 – Diagrama de blocos da estratégia de controle adotada.

1.7 Conclusão

Neste capítulo foi detalhada a motivação de se desenvolver um sistema de co-

geração com painéis fotovoltaicos, sendo atrativa por utilizar uma fonte inesgotável e produzir

energia sem agredir o meio ambiente, além de poder ser produzido em meios urbanos.

Foram revisadas as características de sistemas de geração distribuídas com painéis

fotovoltaicos e algumas topologias aplicáveis para este tipo de sistemas.

12

Neste trabalho optou-se por um conversor elevador clássico para o primeiro estágio,

estudado em outro trabalho paralelamente, devido à simplicidade de montagem e controle, e

um inversor monofásico na configuração em ponte completa. Para isso os painéis

fotovoltaicos são colocados em série, eliminando a necessidade de um alto ganho do

conversor elevador.

Como dito anteriormente, o segundo estágio, foco deste trabalho, é composto por um

inversor em ponte completa com um transformador em baixa frequência na saída, isolando o

sistema da rede. A escolha se motivou porque esta topologia por ser simples e apresentar um

baixo custo em relação às outras topologias de inversores. O controle utilizado é o de modo de

corrente média, controlando a corrente de saída e tensão de entrada do barramento.

13

CAPÍTULO 2

2 ANÁLISE QUALITATIVA E EXEMPLO DE PROJETO

2.1 Introdução

Este capítulo trata da análise qualitativa e quantitativa do conversor CC/CA adotado

para o sistema de geração distribuída. Também detalha como se comporta o circuito

mostrando suas principais formas de onda, bem como a modulação utilizada para o controle

das interruptores do inversor.

Em seguida é feito um exemplo de projeto, mostrando as equações utilizadas e os

valores obtidos para a montagem do conversor. Ao final são mostrados os resultados de

simulação do conversor operando em malha aberta.

2.2 Análise Qualitativa

2.2.1 Topologia sob Análise

A estrutura de potência do conversor CC/CA em ponte completa é apresentada na

Figura 2.1. Este conversor consiste de dois braços inversores compostos por um par de

interruptores comandados em antiparalelo com diodos de roda-livre. Esta estrutura é

recomendada para altas potências (>1kVA), tendo em vista que ela apresenta menores

esforços de tensão e corrente nos interruptores comandadas. Dessa forma, os níveis de tensão

e corrente, nos semicondutores, são os menores comparados com outras topologias

monofásicas. Essa característica constitui numa das grandes vantagens dessa estrutura [7] .

Vi

S1

S2

S3

S4

Lf

CfC Vo

Figura 2.1 – Inversor em ponte completa.

14

2.2.2 Tipos de Modulação PWM

a) Modulação Unipolar

Usando a modulação SPWM unipolar, o inversor apresenta quatro etapas básicas de

operação num período de comutação durante o semiciclo da corrente que circula através do

indutor filtro do inversor [15] . As mesmas quatro etapas básicas ocorrem num período de

comutação no semiciclo negativo da corrente que circula através do indutor filtro do inversor.

Para não tornar redundante a explicação é descrito somente as quatro etapas correspondentes

ao semiciclo positivo da corrente. Para a descrição das etapas, os interruptores e diodos são

considerados ideais, e o filtro de saída é assumido como uma fonte de corrente. As formas de

onda correspondentes às etapas de operação durante um período de comutação no semiciclo

positivo da corrente de saída são mostradas na Figura 2.3 [7] .

Primeira Etapa (t0, t1): Na primeira etapa de operação os interruptores S5 e S6

conduzem a corrente de carga. Os demais interruptores encontram-se bloqueados. A etapa

finaliza quando o interruptor S6 é bloqueado. A primeira etapa é mostrada na Figura 2.2.a.

Segunda Etapa (t1, t2): O interruptor S5 permanece conduzindo e a corrente de

carga entra em roda livre através do diodo D7 que é polarizado diretamente. O interruptor S7

é habilitado para conduzir, porém não circula corrente através dele. A etapa finaliza quando o

interruptor S7 é bloqueado. A segunda etapa é mostrada na Figura 2.2.b.

Terceira Etapa (t2,t3): O interruptor S5 permanece conduzindo a corrente de carga.

Nesta etapa o interruptor S6 é comandado a conduzir novamente, desviando a corrente de

carga do diodo D7 para o interruptor S6. Esta etapa é similar a primeira etapa. A etapa finaliza

quando o interruptor S5 é bloqueado. A terceira etapa é mostrada na Figura 2.2.c.

Quarta Etapa (t3,t4): O interruptor S6 permanece conduzindo. A corrente de carga

entra em roda livre através do diodo D4 polarizado diretamente. Nesta etapa o interruptor S4 é

comandado a conduzir, porém não circula corrente através dele. A etapa finaliza quando S4 é

bloqueado. A quarta etapa é mostrada na Figura 2.2.d.

15

a) Primeira etapa b) Segunda etapa

c) Terceira etapa d) Quarta etapa

Vi

Vi

Vi

Vi

S5 S5

S5 S5

S4

S4 S4

S4

S7 S7

S7 S7

S6 S6

S6 S6

D5 D5

D5 D5

D4 D4

D4 D4

D7 D7

D7 D7

D6 D6

D6 D6

ia ia

ia ia

Figura 2.2 – Etapas de operação do inversor com SPWM unipolar.

Vi

S5

S7

S4

S6

Vab

t

t

t

t

t

to t1 t2 t3 t4

0

0

0

0

0

Ts

Figura 2.3 – Formas de onda básicas para um período de comutação.

16

A modulação por largura de pulso unipolar senoidal (SPWM) pode ser gerada de

duas maneiras, sendo uma delas comparando uma onda portadora triangular com duas

moduladoras senoidais defasadas em 180o; e a outra comparando duas ondas portadoras

triangulares com uma onda moduladora senoidal como mostra a Figura 2.4 [15] [16] [17] .

VAB

S5

S4

S7

S6

t

t

t

t

t

t0

0

0

0

0

0

V _pkVc_pk

Vs

-Vs

portadoramoduladora

Figura 2.4 – SPWM unipolar com duas portadoras triangulares e uma moduladora senoidal.

Essa modulação tem a vantagem de apresentar as frequências do espectro harmônico na

tensão VAB

com o dobro da frequência de comutação do inversor, comparada à modulação bipolar.

Ainda como características dessa modulação existem dois parâmetros: o índice de modulação e a

razão entre a frequência da tensão de saída pela frequência de comutação [18] .

b) Modulação Bipolar

A modulação bipolar é assim denominada devido a tensão Vo resultante de sua

utilização apresentar sempre níveis de tensão +Vo ou –Vo, independente do semiciclo no qual

o inversor está operando. Nessa técnica de modulação há apenas dois sinais de comando

distintos, de tal forma que os interruptores S5 e S6 recebem o mesmo sinal de comando, bem

17

como os interruptores S4 e S7. Além disso, o sinal de comando dos interruptores de um

mesmo braço são complementares entre si.

Na modulação bipolar existem quatro etapas de operação. A primeira e a segunda

etapa são realizadas durante o semiciclo positivo e a terceira e quarta etapa durante o

semiciclo negativo da tensão de saída. As formas de onda básicas são apresentadas na Figura

2.6.

Primeira Etapa (t0, t1): Na primeira etapa de operação os interruptores S5 e S6

conduzem a corrente de carga. Os demais interruptores encontram-se bloqueados. A etapa

finaliza quando os interruptores S6 e S5 são bloqueados. A primeira etapa é mostrada na

Figura 2.5.a.

Segunda Etapa (t1, t2): Os interruptores S4 e S7 são comandados a conduzir e a

corrente de carga entra em roda livre através dos diodos D4 e D7 que são polarizados

diretamente. A etapa finaliza quando o interruptor S7 e S4 são bloqueados. A segunda etapa é

mostrada na Figura 2.5.b

A terceira e quarta etapa são semelhantes à primeira e a segunda porém ocorrem no

semiciclo negativo da tensão de saída. Estas etapas são mostradas nas Figura 2.5.c e Figura

2.5.d.

a) Primeira etapa b) Segunda etapa

c) Terceira etapa d) Quarta etapa

Vo

Vo

Vo

Vo

S5 S5

S5 S5

S4

S4 S4

S4

S7 S7

S7 S7

S6 S6

S6 S6

D5 D5

D5 D5

D4 D4

D4 D4

D7 D7

D7 D7

D6 D6

D6 D6

ia ia

ia ia

Figura 2.5 – Etapas de operação do inversor com SPWM unipolar.

18

Figura 2.6 - SPWM bipolar com uma portadora triangular e uma moduladora senoidal.

Como pode ser visto na Figura 2.6, a tensão VAB obtida a partir da modulação bipolar

apresenta uma componente fundamental com a mesma forma e frequência do sinal modulador

e uma componente de alta frequência na frequência de comutação. A amplitude do sinal

modulador permite controlar o valor eficaz da tensão de saída.

Pode-se observar ainda que a modulação bipolar leva o inversor a operar durante

quatro etapas, duas durante o semiciclo positivo da corrente em Lf e duas durante o semiciclo

negativo da corrente em Lf, sendo que as etapas de um semiciclo são análogas as do outro.

Pode-se dizer que a modulação bipolar possui uma exequibilidade mais simples do

que a unipolar devido à redução na quantidade de comando de sinais.

Neste trabalho decidiu-se utilizar a modulação unipolar, pois esta reduz

consideravelmente o volume e peso do magnético utilizado no filtro de saída.

2.3 Análise Quantitativa

A seguir, são apresentadas as equações utilizadas para dimensionar os elementos de

circuito. A dedução das equações para o inversor é facilmente encontrada em diversas

19

referências bibliográficas, por isso não é apresentada neste trabalho. A modulação utilizada

neste trabalho é a SPWM unipolar. Segundo [18] , [19] e [20] foram utilizadas as equações a

seguir para o projeto do inversor.

2.3.1 Valor de Pico da Tensão de Saída

Como a carga do sistema será a própria rede, a tensão de saída será imposta por esta

tensão. Portanto, a tensão de pico de saída é dada por

2opk oV V (2.1)

Onde Vo é a tensão eficaz de saída.

2.3.2 Índice de Modulação

O índice de modulação é dado por

opk

a

i

VM

V

(2.2)

Onde Vi é a tensão de entrada.

2.3.3 Corrente Eficaz de Saída

A corrente eficaz de saída é dada por

o

o

o

SI

V

(2.3)

Onde So é a potência aparente de entrada.

2.3.4 Corrente de Pico de Saída

Considerando a rede elétrica como uma carga aproximadamente resistiva, pode-se

calcular a corrente de pico da saída conforme,

. 2opk oI I (2.4)

Onde Io é a corrente eficaz de saída.

20

2.3.5 Resistência de Carga

O cálculo da resistência de carga é dado por

2

oo

o

VR

P

(2.5)

2.3.6 Corrente Média de Entrada

O cálculo da corrente média de entrada do sistema é dada por

i

i

i

PI

V

(2.6)

Onde Pi é a potência útil de entrada.

2.3.7 Corrente Eficaz no Indutor

A corrente eficaz através do indutor é obtida através de

2

2

2

f

L o

II I

(2.7)

Onde ΔIf é variação de corrente adotada no indutor de filtro.

2.3.8 Corrente de Pico no Indutor, nos interruptores e no diodo em

Antiparalelo

A corrente de pico e é dada por

2

f

Lpk opk

II I

(2.8)

A tensão máxima sobre os interruptores é dada por

maxS iV V (2.9)

21

2.3.9 Indutância do Filtro de Saída

Para calcular a indutância do filtro de saída, foi utilizada a equação (2.10), dada por

2

i opk a

f

s f opk

V V ML

f I I

(2.10)

2.3.10 Capacitor de Filtro de Saída

Após determinar o valor da indutância de filtro, é possível calcular o capacitor de

filtro

2

1

(2 )f

f f

CL f

(2.11)

Onde ff é frequência adotada para o filtro de saída.

2.4 Exemplo de Projeto

A seguir será apresentado o dimensionamento do estágio CC-CA, responsável por

converter a tensão contínua em alternada com tensão eficaz de saída de 220V.

O cálculo detalhado do projeto do inversor foi feito no MathCad 14, e pode ser visto

no Apêndice A.

2.4.1 Especificações do Inversor

As especificações do inversor são dadas na Tabela 2.1 a seguir,

Tabela 2.1 – Especificações do Inversor

Potência ativa de saída 630oP W

Tensão eficaz de saída 220oV V

Tensão CC de entrada 400iV V

22

2.4.2 Considerações do Projeto do Inversor

A frequência de comutação foi adotada com 30kHz para evitar ruídos audíveis. O

valor adotado não é superior para evitar as perdas por comutação dos interruptores. O valor do

capacitor de entrada foi obtido no trabalho em paralelo que desenvolve o conversor Boost.

As considerações de projeto podem ser observadas na Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Considerações de projeto

Fator de potência 0,95pF

Rendimento do sistema 0,95

Frequência de comutação 30000sf Hz

Frequência de saída (moduladora) 60rf Hz

Valor de pico a pico da triangular 8TV V

Ondulação de corrente no indutor 10%fI

Capacitância do barramento de entrada 1,2bC mF

2.4.3 Determinação das Grandezas Envolvidas

A tensão de pico na saída de calculada através de (2.1) e é dada por,

2 311,13opk oV V V (2.12)

O índice de modulação é encontrado usando (2.2)

0,778

opk

a

i

VM

V

(2.13)

A corrente eficaz de saída é calculada usando (2.3)

3,01o

o

o

SI A

V

(2.14)

A corrente de pico de saída é obtida usando (2.4)

23

2 4,26opk oI I A (2.15)

A resistência de carga é calculada através de (2.5)

2

76,83oo

o

VR

P

(2.16)

A corrente eficaz de entrada é encontrada usando (2.6)

1,66i

i

i

PI A

V

(2.17)

2.4.4 Determinação dos Esforços nos Componentes

A corrente eficaz que passa pelo indutor, interruptores e no diodo em antiparalelo é

obtida através de (2.7)

2

2 3,022

f

L o

II I A

(2.18)

A corrente de pico no indutor de filtro, interruptores e no diodo em antiparalelo é

calculada usando (2.8)

4,31

2

f

Lpk opk

II I A

(2.19)

A tensão sobre os interruptores é dada em (2.9)

max 400S iV V V (2.20)

2.4.5 Dimensionamento dos Componentes

a) Indutor de Filtro

O indutor de filtro de saída é calculado através de (2.10),

24

2,70

2

i opk a

f

s f opk

V V ML mH

f I I

(2.21)

Adota-se um valor estimado para a resistência intrínseca do indutor filtro de saída Lf,

0.06Lfr (2.22)

b) Capacitor de Filtro

O capacitor de filtro é utilizado em geral, apenas para retirar a componente de alta

frequência, pois quando o inversor é ligado na rede, sua influência é desprezível na dinâmica

do circuito. Isto pode ser verificado no desenvolvimento das equações para o controle do

sistema que será visto capítulo 3.

2.5 Especificação dos Componentes

De acordo com os valores de projeto encontrados para os componentes, são

especificados a seguir os componentes a serem utilizados numa futura implementação.

2.5.1 Interruptores

Com base nos esforços de tensão e correntes calculados, optou-se por utilizar o IGBT

HGTG12N60D1D da Intersil. Suas principais características para uma temperatura de junção

de 100°C são apresentadas na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 – Principais caracterísitcas HGTG12N60D1D

Descrição Símbolo Valor

Tensão coletor-emissor VDS 600V

Corrente coletor-emissor ID 12A

Tensão coletor-emissor de saturação VCE(sat) 2,1V

Tensão porta-emissor VGS 20V

Tempo de subida da corrente tRI 150ns

Tempo de queda da corrente tFI 430ns

Queda de tensão durante a condução do diodo em antiparalelo VFM 1,5V

25

Tempo de recuperação reversa do diodo em antiparalelo trr 60ns

Resistência térmica junção-cápsula do IGBT RSjc 1,67°C/W

Resistência térmica junção-cápsula do diodo em antiparalelo RDjc 1,5°C/W

2.5.2 Indutor

Os parâmetros físicos de construção do indutor de filtro de saída do inversor são

apresentados na Tabela 2.4. O cálculo da construção física do indutor encontra-se no

Apêndice B.

Tabela 2.4 – Parâmetros físicos da construção do indutor

Descrição Parâmetro

Indutância do Indutor 2,7fL mH

Tipo de Núcleo (NEE Thornton – IP12R) NEE 55/28/21

Densidade de fluxo máxima max 0,3B T

Número de espiras 114N esp

Densidade de corrente no enrolamento 2430 /J A cm

Fio de cobre esmaltado utilizado 22AWG

Número de fios em paralelo 3fn fios

Resistência do enrolamento 301LeR m

Potência nominal dissipada no núcleo 0,18nP W

Potência nominal dissipada no enrolamento 3,1cuP W

2.6 Resultados de Simulação

O circuito foi simulado utilizando o software PSIM®. O mesmo foi simulado

inicialmente em malha aberta, utilizando os valores calculados, conforme pode ser visto na

Figura 2.7. O circuito para gerar a modulação unipolar pode ser visto na Figura 2.8.

26

Figura 2.7 – Circuito de potência simulado.

Figura 2.8 – Circuito de geração da modulação SPWM unipolar.

A forma de onda da tensão de saída pode ser vista na Figura 2.9, e possui um valor

de pico de aproximadamente 330V e um formato senoidal. Observando o detalhe da tensão de

saída, observa-se uma variação de tensão de aproximadamente 10%, que representa cerca de

30V. Estando então estes valores condizentes com os obtidos teoricamente.

Figura 2.9 – Tensão de saída do inversor.

A corrente de saída pode ser vista na Figura 2.10, com valor de pico de

aproximadamente de 4,4A, e sua forma de onda é semelhante à da tensão devido a

27

característica resistiva da carga. Observando o detalhe da corrente, percebe-se uma variação

de corrente na saída de aproximadamente 9%, ou seja, 0,4A. Portanto, os valores obtidos em

simulação são bem próximos aos obtidos teoricamente.

Figura 2.10 – Corrente de saída do inversor.

Os esforços de corrente e tensão no interruptor S3 podem ser observados na Figura

2.11. O valor eficaz da corrente ficou em aproximadamente 3,3A e a tensão nos interruptores

com valor de 400V. Pode-se dizer então, que os valores simulados estão em conforme com os

teóricos.

Figura 2.11 – Corrente e tensão na interruptor S3.

A simulação observada na Figura 2.12 foi feita para observar o comportamento do

inversor operando em malha aberta, quando colocado uma fonte de tensão na saída.

As ondas estão fora de fase, o que mostra que o conversor está sendo capaz de injetar

energia na rede elétrica, porém com um fato de potência de 0.8 e um TDH de

aproximadamente 15%. Mas o maior problema é que a corrente não está sincronizada com a

rede, o que para aplicação de conversores conectados a rede elétrica, é inviável.

28

Figura 2.12 – Tensão de saída e corrente de saída ampliada quando uma fonte de tensão é

aplicada na saída.

É interessante observar a forma de onda da corrente e tensão para esta situação, que

leva a perceber a necessidade da implementação de um controle de corrente para injeção da

potência de forma sincronizada na rede elétrica

A Tabela 2.5, detalha os valores obtidos teoricamente e durante a simulação:

Tabela 2.5 – Comparação dos valores teóricos e simulados

Descrição Valor Teórico Valor Simulado

Tensão eficaz de saída [V] 220 224

Tensão de pico de saída [V] 311 332

Corrente eficaz de saída [A] 3,01 2,98

Corrente de pico de saída [A] 4,26 4,4

Corrente de pico nos interruptores [A] 4,31 4,4

Tensão de entrada [V] 400 400

Corrente eficaz de entrada [A] 1,66 1,65

Potência ativa de entrada [W] 663 668

Potência ativa de saída [W] 630 662

Fator de potência 0,95 0,97

Rendimento 0,95 0,98

TDH de corrente - 4,9%

29

Observa-se que os resultados teóricos e de simulação estão bastante próximos.

Algumas diferenças são observadas devido à introdução de resistências intrínsecas no

capacitor do barramento de entrada e no indutor filtro de saída. O alto rendimento encontrado

na simulação pode ser explicado pela baixa queda de tensão durante a condução dos

interruptores adotados.

2.7 Conclusão

Neste capítulo foi feita a análise qualitativa e quantitativa do inversor mostrando os

tipos de modulação que podem ser utilizadas e suas principais formas de onda. A modulação

adotada foi a SPWM unipolar, pois esta modulação reduz o volume do indutor

consideravelmente, apesar da modulação ser mais complexa por necessitar de dois sinais

triangulares defasados de 180°.

Com os valores calculados foi realizado o projeto físico do indutor bem como a

simulação em malha aberta do inversor. Os resultados de simulação obtidos foram bastante

satisfatórios e seus valores ficaram bem próximos aos calculados. Verificou-se que ainda não

há uma devida injeção de energia na rede, pois não existe um controle para isso. Isto será

parte do estudo do próximo capitulo.

30

CAPÍTULO 3

3 CIRCUITO DE CONTROLE DO INVERSOR DE TENSÃO

3.1 Introdução

Este capítulo detalha o projeto do controle do inversor apresentado no capítulo

anterior. É feita uma introdução sobre o modelo da chave PWM de Vorperian para a

modelagem do circuito, e em seguida é feito a modelagem do controle adotado.

3.2 Modelo da Chave PWM

A seguir são apresentados os modelos CC e CA da chave PWM. Os modelos da

chave PWM são linearizados e representam o comportamento de um circuito não linear

composto por uma chave ativa (transistor, MOSFET ou IGBT) e uma chave passiva (diodo).

Tal comportamento do modelo é adequado num determinado a faixa de frequência de

operação e um ponto de operação. Para facilitar o entendimento, os modelos CC e CA são

aplicados aos conversores básicos com o intuito de determinar os ganhos estáticos em regime

permanente e as funções de transferências envolvendo os parâmetros a serem controlados para

realizar o estudo dinâmico dos conversores. Portanto, aplicando o modelo da chave PWM aos

conversores é possível obter uma equação matemática linearizada que representa o

comportamento físico do conversor numa determinada faixa de frequência e um ponto de

operação [22] . Na Figura 3.1 é mostrado um conversor Buck onde as chaves passivas (não

controladas) e ativas (controladas) são colocadas num único bloco pontilhado chamado de

chave PWM. Esse bloco representa a não linearidade nesses conversores e é mostrada como

um dispositivo de três terminais não linear na Figura 3.2. A designação dos terminais é a

seguinte: a - terminal ativo, p – terminal passivo e c – terminal comum.

Figura 3.1 – Conversor Buck com sua chave PWM.

31

Figura 3.2 – A chave PWM.

O modelo de interruptor PWM pode ser dividido em dois: modelo CC e CA.

O modelo CC da chave PWM é um modelo em regime permanente. Este modelo é

usado para definir os ganhos estáticos dos conversores considerando todas as não idealidades.

Nas expressões de valor médio CC, são feitas perturbações nas tensões Vap e Vcp e nas

correntes Ia e Ic. Perturbar uma variável significa fazer um pequeno incremento ou decremento

na mesma. A seguir são apresentados os dois casos de perturbação, sendo o primeiro caso

perturbando tensões e correntes e mantendo como constante a razão cíclica, e o segundo caso

perturbando todas as variáveis envolvidas. Essas perturbações permitem construir o modelo

CA da chave PWM. Este modelo de pequenos sinais da chave PWM serve para determinar as

funções de transferência dos parâmetros de controle do conversor [22] .

Para simplificar a simbologia, o diferencial das variáveis sob análise é simbolizado e

substituído por uma variável com acento circunflexo. O modelo CA da chave PWM ou

também chamado modelo de pequenos sinais da chave PWM é mostrado na Figura 3.3.

Figura 3.3 – Modelo CA da chave PWM.

32

3.3 Equacionamento

Para o objetivo de injeção de energia na rede, foi adotado o controle por corrente

média (Average Current Mode Control). O tipo de controle indicado apresenta duas malhas

de controle, sendo uma de corrente e outra de tensão, como mostra em princípio a Figura

1.10. Para implementar este tipo de controle devem ser determinadas as funções de

transferência indicadas pelas equações (3.1) e (3.2).

a) Funções de transferência desejadas da planta (inversor) são:

FT para controlar a corrente através do indutor variando a razão cíclica,

0

ˆ?

ô i

L

v i

i

d

(3.1)

FT para controlar a tensão de entrada variando a corrente através do indutor,

0

ˆ?

ô i

i

L v i

v

i

(3.2)

Substituindo o modelo de pequenos sinais mostrado na Figura 3.3 no conversor

Buck, obtêm o circuito de pequenos de pequenos sinais mostrado na Figura 3.4 [22] .

a

p

c

1 D1

s C

s L

âpV d

ˆCI d

CR

Z

âpv ˆ

cpv

âi

ˆci

ccI1

fs C

Figura 3.4 – Modelo CA da chave PWM do conversor Buck.

Segundo as equações (3.1) e (3.2) a perturbação na tensão de saída é igual a zero.

Essa consideração é feita porque a rede é considerada um barramento infinito. Desta maneira,

chega-se no circuito da Figura 3.5.

33

a

p

c

1 D1

s C

s L

âpV d

ˆCI d

âpv ˆ

cpv

âi

ˆci

Figura 3.5 – Modelo CA da chave PWM para o conversor Buck quando 0ov

.

Usando as equações (3.3) e (3.4) do modelo CA, e manipulado o circuito da Figura

3.5, chega-se as funções de transferência desejadas [22] ,

ˆˆ â c Ci D i I d (3.3)

ˆˆ ˆcp ap apv D v V d (3.4)

Os parâmetros de regime permanente do conversor são:

C LI I (3.5)

ap iV V (3.6)

Aplicando as equações (3.3) e (3.4) e considerando (3.5) e (3.6) no modelo da Figura

3.5, é possível obter,

2 2

ˆ( )

î LL

i

V C s D IiG s

s L C Dd

(3.7)

Da mesma forma, aplicando as equações (3.3) e (3.4), e considerando (3.5) e (3.6) no

modelo da Figura 3.5, é possível obter,

ˆ( )

î L i

i LL

v L I s V DZ s

C V s I Di

(3.8)

34

3.4 Projeto do Controle

O diagrama de blocos do controle por modo corrente média é mostrada na Figura

3.6. Como pode ser observado, este tipo de controle apresenta duas malhas, sendo uma malha

de corrente interna e uma malha de tensão externa. Para ambos os controladores, foi utilizada

o metodologia de cálculo utilizando o fator K, proposto em [23] . A seguir é feito o projeto de

ambas as malhas.

Cv(s)Vref

Hv(s)

Vi

-+

Vsincron.

multip.

Vref i -+ Ci(s) Fm(s) Gi(s) Z(s)

Hi(s)

ILD

d iL vi

MALHA DE CORRENTE

MALHA DE TENSÃO

Figura 3.6 – Diagrama de blocos da estratégia de controle adotada.

3.4.1 Malha de corrente

A malha de corrente do sistema de controle é a responsável da injeção de corrente na

rede elétrica. Em outras palavras, esta malha impõe corrente na rede elétrica. A malha de

corrente é identificada com linha pontilhada na Figura 3.6. Na Tabela 3.1 são definidos alguns

dados de projeto da malha de corrente.

A FT de laço aberto sem compensador é dada pela equação (3.9).

( ) ( ) ( ) ( )sci i m iFTLA s G s F s H s (3.9)

Tabela 3.1 – Considerações de projeto de controle de corrente

Valor de pico da triangular 8TV V

Ganho do sensor hall 0,185hallG

35

As outras FT que compõem a equação (3.9) são apresentadas pelas equações (3.10) e

(3.11).

1( )m

T

F sV

(3.10)

( )i hallH s G (3.11)

Assim, o diagrama de Bode da malha de corrente sem compensador é mostrada na

Figura 3.7 e Figura 3.8.

1 10 100 1 103

1 104

1 105

80

60

40

20

0

20

40

60

80

20 log FTLAsci s( )

20 log Gi s( )

0

s

2

Figura 3.7 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de corrente sem

compensador.

1 10 100 1 103

1 104

1 105

180

140

100

60

20

20

60

100

arg FTLAsci s( ) 180

0

s

2

Figura 3.8 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de corrente sem

compensador.

36

A seguir é definida a frequência de cruzamento da malha de tensão incluindo o

compensador, e também é feito o projeto do compensador.

a) Frequência de Cruzamento

No projeto adota-se uma frequência de cruzamento 5 vezes menor que a frequência

de comutação do sistema que é de 30kHz,

6000

5

sc

ff Hz

(3.12)

Observando o diagrama de fase da Figura 3.8, para a frequência de cruzamento

adotada o atraso de fase é igual a:

90P (3.13)

b) Margem de Fase

Para o projeto da malha de corrente é adotado uma margem de fase de:

60MF (3.14)

c) Ganho do Compensador

Para que o sistema compensado apresente uma frequência de cruzamento de 6kHz, o

compensador deve apresentar o ganho calculado pela equação (3.15):

20 log 2 20.84sci cAV FTLA f dB (3.15)

d) Avanço de Fase Requerido

O avanço de fase requerido é calculado através da equação (3.16),

90 60oMF P (3.16)

e) Escolha do Compensador

Como o avanço de fase é menor que 90°, é suficiente utilizar o compensador PI com

filtro.

37

f) Determinação do Fator K

As curvas de avanço de fase em função do fator K para os compensadores tipo 2 e

tipo 3, definidos em [23] , são traçadas usando as equações (3.17) e (3.18). Assim, usando a

curva 1(k1) da Figura 3.9 e o valor dado pela equação (3.16), determina-se o fator K.

180

( ) 4k arctg k

(3.17)

1801( 1) 2 1

2k arctg k

(3.18)

1 10 100 1 103

1 104

1 105

0

50

100

150

200

k( )

1 k1( )

k k1

Figura 3.9 – Curvas de avanço de fase em função do fator K.

Para o avanço de fase requerido de 60º, obtem-se na curva o seguinte fator K:

3.75aK (3.19)

g) Cálculo dos Componentes do Compensador

O ganho em valor absoluto do compensador é dada pela equação (3.20),

2010 11,02

AV

cG (3.20)

Assumindo,

38

1 10R k (3.21)

Utilizando as equações do compensador tipo 2, que corresponde ao PI com filtro,

tem-se,

2

1

164,21

2 c c a

C pFf G K R

(3.22)

2

2 2 1 0,84aC C K nF

(3.23)

2

1

118,602

a

c

KC k

f C

(3.24)

h) FT do Compensador

Compensador adotado é o compensador tipo 2 (PI com filtro), onde cujo circuito é

mostrado na Figura 3.10.

ViVo

R2

C2R1

C1

Figura 3.10 – Compensador PI com filtro para a malha de corrente.

A FT do compensador é,

1 2

1 1 2 2 1 2

1( )i

C R sC s

R s C C R C C

(3.25)

Incluindo o compensador na FT de laço aberto sem compensador, obtêm-se a FT de

laço aberto com compensador expressa pela equação (3.26),

( ) ( ) ( )cci sci iFTLA s FTLA s C s

(3.26)

39

O diagrama de Bode da FT de laço aberto com compensador é mostrado na Figura

3.11 e Figura 3,12. Onde uma delas é o diagrama de ganho e a outra o diagrama de fase.

1 10 100 1 103

1 104

1 105

100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

100

20 log FTLAcci s( )

0

s

2

Figura 3.11 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de corrente com

compensador.

1 10 100 1 103

1 104

1 105

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

arg FTLAcci s( ) 180

0

s

2

Figura 3.12 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de corrente com compensador.

Observa-se que a frequência de cruzamento ficou de fato em 6kHz e a margem de

fase no valor dada pela expressão (3.27). Os resultados mostram que a malha de corrente é

estável.

180180 arg 2 60,132o

cci cci cMF FTLA f

(3.27)

40

3.4.2 Malha de Tensão

A malha de tensão controla a tensão no barramento de entrada para que esta fique

num valor sempre próximo dos 400V adotados. Com esta tensão mantida praticamente

constante, o inversor opera adequadamente sem causar sobretensões nos interruptores e caso

contrário, o inversor apresentaria problemas. A seguir é feito o projeto do controlador para

esta malha. A Tabela 3.2 apresenta as considerações para o projeto do controle de tensão.

Como a malha de tensão é muito mais lenta que a malha de corrente, a Figura 3.6

pode ser simplificada ao diagrama de blocos da Figura 3.13.

Cv(s)1

Hi(s)Z(s)

Vref

Hv(s)

Vi

-+

Vamostra

multiplicador

Figura 3.13 – Diagrama de blocos da malha de tensão.

A partir da Figura 3.13 é determinada a FT de laço aberto sem compensador da

malha de tensão, tal como expressado por (3.28),

1( ) ( ) ( ) ( )

( )sci amostra v

i

FTLA s Z s V s H sH s

(3.28)

Tabela 3.2 – Considerações de projeto de controle de tensão

Tensão de entrada 400iV V

Tensão de referência da malha de tensão 3,2refvV V

A tensão de amostragem da rede que é usada para sincronizar é adotada no valor de

pico de 1V para a tensão da rede eficaz de 220VCA. O ganho Hv(s) é dado pelo divisor

resistivo de amostragem da tensão de entrada de barramento do inversor, retirando uma

amostra de tensão para o controle. O valor de Hv(s) também pode ser encontrado

relacionando a tensão de referência e a tensão de barramento, como expresso por (3.30).

sin ( ) 1cronV s V (3.29)

41

( )

refv

v

i

VH s

V

(3.30)

O diagrama de Bode e de fase da FT sem compensador da malha de tensão, é

expresso pelos diagramas da Figura 3.14 e Figura 3.15, respectivamente.

0.1 1 10 100 1 103

1 104

1 105

80

60

40

20

0

20

40

60

80

20 log FTLAscv s( )

20 log Zv s( )

0

s

2

Figura 3.14 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de tensão sem compensador.

0.1 1 10 100 1 103

1 104

1 105

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

20

arg FTLAscv s( ) 180

0

s

2

Figura 3.15 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de tensão sem compensador.

A seguir serão definidos a frequência de cruzamento da malha de tensão incluindo o

compensador, e também é feito o projeto do compensador.

a) Frequência de Cruzamento

42

Adota-se uma frequência de cruzamento 20 vezes menor que a frequência de 120Hz

que aparece na corrente de entrada do inversor, dado por

26

20

rc

FF Hz

(3.31)

É adotada uma frequência de cruzamento baixa para não distorcer a corrente na rede

elétrica. Uma corrente distorcida representa a injeção de harmônicas de corrente, que causa

simplesmente circulação de energia reativa. Para a frequência de cruzamento adotado,

observando a Figura 3.16, é determinado o atraso de fase, dado por

115P (3.32)

b) Margem de Fase

A margem de fase adotada é,

45MF (3.33)

c) Ganho do Compensador

Para se obter a frequência de cruzamento adotada, o ganho do compensador deve ser

dado pela expressão (3.34),

20 log 2 5.62sci cAV FTLA f db (3.34)

d) Avanço de Fase Requerido

O avanço de fase requerido é encontrado usando (3.35),

90 70oMF P (3.35)

e) Escolha do Compensador

Como o avanço é menor que 90°, é suficiente usar novamente o compensador tipo 2

ou PI com filtro.

f) Determinação do Fator K

Utilizando novamente a curva α1(k1) da Figura 3.9, obtêm-se

43

5,7vK (3.36)

g) Determinação dos Componentes do Compensador

O ganho do compensador em termos de valor absoluto é dado em (3.37),

2010 1,91

AV

vG (3.37)

Assumindo,

1 10R k (3.38)

Utilizando as equações do compensador tipo 2, tem-se,

2

1

1243.6

2 c c v

C nFf G K R

(3.39)

2

1 2 1 7.7vC C K uF

(3.40)

2

1

19,72

a

c

KR k

f C

(3.41)

h) Cálculo do Compensador

O circuito do compensador tipo 2 (PI com filtro), é mostrado na Figura 3.16.

Vi

Vo

R2

C2R1

C1

Figura 3.16 – Compensador PI com filtro para a malha de tensão.

É importante observar que como a função de transferência da malha de tensão é

negativa, deve ser usado um compensador do tipo não inversor.

A FT do compensador é,

44

1 1 2

( ) 11 1 2 2 1 2

v

C R sC s

R s C C R C C

(3.42)

Finalmente, a FT de laço aberto incluindo o compensador é dada pela equação

(3.43),

( ) ( ) ( )ccv scv vFTLA s FTLA s C s

(3.43)

O diagrama de Bode e de fase da malha de tensão incluindo o compensador é

mostrado na Figura 3.17 e Figura 3.18, respectivamente

0.01 0.1 1 10 100 1 103

1 104

1 105

100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

100

20 log FTLAccv s( )

0

s

2

Figura 3.17 – Diagrama de ganho da FT de laço aberto da malha de tensão com compensador.

0.1 1 10 100 1 103

1 104

1 105

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

arg FTLAccv s( ) 180

0

s

2

Figura 3.18 – Diagrama de fase da FT de laço aberto da malha de tensão com compensador.

45

Observa-se que a frequência de cruzamento ficou bem próxima dos 6Hz tal como

adotado, e o valor da margem de fase do sistema compensado é dada pela equação (3.44). Os

resultados mostram que a malha de tensão é estável.

180180 arg 2 81,75o

ccv ccv cvMF FTLA f

(3.44)

3.5 Especificação dos Componentes

3.5.1 Sensor

Para obter a amostra de corrente da saída do inversor, é utilizado um sensor de efeito

hall ACS712ELCTR-05B-T fabricado pela Allegro. As especificações do sensor é

apresentada na Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Principais características do sensor ACS712ELCTR-05B-T


Tensão de alimentação VCC 5V

Tensão de saída VIOUT 5V

Faixa de atuação IP 5A

Sensibilidade - 185mV/A

Tolerância de sobre-corrente (100ms) IP 100A

Resistência do condutor do primário RPRIMARY 1.2mΩ

3.6 Resultados de Simulação do sistema em malha fechada

O circuito de potência incluindo o controle por modo corrente média foi simulado no

software PSIM®. A Figura 3.19 mostra o circuito de potência do inversor, a Figura 3.20

mostra os moduladores para obter a modulação SPWM unipolar e finalmente, a Figura 3.21

mostra as malhas de corrente e tensão do sistema, respectivamente.

46

Figura 3.19 – Circuito do inversor monofásico simulado.

Figura 3.20 – Modulador SPWM unipolar.

Figura 3.21 – Circuitos controladores de; (a) tensão e (b) corrente.

Na Figura 3.22 pode-se observar a atuação da malha de tensão do circuito de

controle. Quando há uma redução na corrente de entrada, o barramento tende a reduzir sua

tensão. Porém a malha de controle de corrente atua reduzindo a corrente de saída e mantendo

a tensão no barramento. Caso a corrente chegue a zero a rede passa a alimentar o barramento,

mantendo sua tensão constante.

47


A corrente de saída obteve um valor de pico de aproximadamente 4,4A e sua

ondulação ficou em torno de 10%, conforme calculado. O TDH da corrente injetada a plena

potência ficou em torno de 5%, valor satisfatório para a aplicação. A forma de onda da

corrente de saída é mostrada na Figura 3.23.

Figura 3.23 – Detalhe da forma de onda da corrente de saída.

48

A Figura 3.24 mostra a atuação das malhas de corrente e tensão do circuito de

controle. Enquanto há corrente na entrada do inversor, é possível perceber que o inversor está

injetando corrente na rede, pois a forma de onda da corrente de saída está defasada em 180°

da tensão da rede, que significa que a rede está absorvendo potência. Quando há uma redução

de corrente de entrada até um valor nulo, o controle de tensão trata de manter a tensão do

barramento em 400V. Como a corrente de alimentação é nula, essa energia é retirada da rede

elétrica.

Figura 3.24 – De cima para baixo tem-se respectivamente, corrente de entrada do inversor,

tensão e corrente de saída do inversor, tensão no barramento.

A Figura 3.25 mostra os esforços de tensão e corrente na interruptor S3. Com a

variação de corrente na entrada o valor de tensão mostra alguns picos de até 400V, conforme

calculado. A corrente de eficaz no interruptor é de aproximadamente 3A, conforme calculado.

Figura 3.25 – Tensão sobre a interruptor S3.

49

A Tabela 3.4 compara algumas grandezas teóricas e simuladas.

Tabela 3.4 – Comparação dos valores teóricos e simulados

Descrição Valor Teórico Valor Simulado

Tensão eficaz de saída [V] 220 220

Tensão de pico de saída [V] 311 311

Corrente eficaz de saída [A] 3,01 2,96

Corrente de pico de saída [A] 4,26 4,3

Corrente eficaz nos interruptores [A] 3,02 3

Tensão de entrada [V] 400 394

Corrente eficaz de entrada [A] 1,66 1,66

Potência útil de entrada [W] 663 656

Potência útil de saída [W] 630 641

Fator de Potência 0,95 0,99

Rendimento 0,95 0,98

TDH de corrente - 5,0%

Os valores simulados foram bem próximos dos valores calculados. É importante

esclarecer que usando o simulador PSIM somente aparecem as perdas por condução nos

interruptores, desprezando as perdas por comutação, que no caso de um IGBT é considerável.

O transformador utilizado na simulação também é ideal. Devido a isso, numa obtenção de

resultados experimentais, espera-se um rendimento menor aos obtidos via simulação.

3.7 Conclusão

Neste capítulo foi feito um estudo do modelo da chave PWM para determinar as

funções de transferência do sistema, e assim facilitar o projeto do controle analógico do

sistema, além de sua simulação e análise dos resultados. Foram primeiramente encontradas as

funções de transferências desejadas do conversor, e em seguida projetados os compensadores

50

de corrente e tensão do controle por modo corrente média. Todos os diagramas de Bode foram

traçados para comprovar a estabilidade do sistema.

A simulação mostrou resultados satisfatórios, e comprovou a atuação dos

controladores de maneira eficiente. O controle de corrente mantém a injeção da corrente na

rede regulando a tensão de barramento.

51

CAPÍTULO 4

4 INTERLIGAÇÃO DOS ESTÁGIOS E AVALIAÇÃO DO SISTEMA

4.1 Introdução

Este capítulo trata da análise do sistema completo com: o conversor Boost e o

inversor. Será explanado detalhes da união dos estágios e as alterações feitas para que o

sistema em conjunto funcionasse buscando um maior rendimento. Em seguida serão

mostrados os resultados de simulação do sistema com as principais formas de onda.

Finalmente são analisadas as harmônicas do sistema, e sua regulamentação é discutida.

4.2 Interligação dos estágios

Ao interligar os estágios, foi colocado um relé de conexão entre a rede e o sistema de

geração distribuída. Esse relé é acionado somente quando o barramento atingir uma tensão de

aproximadamente 311V, evitando que a rede elétrica carregue o barramento. Quando o

sistema é desligado, o relé desconecta o sistema da rede a fim de evitar que a rede carregue o

barramento do Boost.

Um soft-start na malha de tensão do inversor foi adicionado. Feito com o

microcontrolador utilizado para o MPPT do boost, o soft-start busca suavizar o controle de

tensão no momento que o sistema é conectado a rede.

O projeto do inversor foi feito com uma variação de corrente de saída de 10%, isso

proporcionou um TDH de cerca de 5%. Quando os sistemas foram interligados, esse TDH

aumentou para aproximadamente 5,5%, isso se deve à componente de alta frequência da

comutação do conversor Boost.

4.3 Resultados de simulação

As simulações foram feitas utilizando o software PSIM®. A intensidade de insolação

é variável para verificar o comportamento do circuito. Figura 4.1 mostra o conversor boost e

seu modulador PWM, a Figura 4.2 mostra os painéis fotovoltaicos e o microcontrolador que

faz o MPPT, além de acionar os relés que conectam o sistema a rede. O inversor é mostrado

na Figura 4.3. e a Figura 4.4 mostra o controlador de tensão do inversor e os relés que

52

interligam o sistema à rede. Finalmente na Figura 4.5, o modulador PWM unipolar e o

controlador de corrente do inversor.

As configurações dos painéis fotovoltaicos podem ser verificadas no anexo C.

Figura 4.1 – Conversor Boost e circuito modulador.

Figura 4.2 – Painéis Fotovoltaicos e microcontrolador com MPPT.

Figura 4.3 – Etapa de potência do inversor.

53

Figura 4.4 – Malha de tensão do inversor e relé de interligação com a rede.

Figura 4.5 – Modulador PWM unipolar do inversor e malha de corrente do inversor.

A forma de onda da corrente de saída pode ser vista na Figura 4.6, possui um valor

de pico de aproximadamente 3,1A e um TDH de 5,5%.


As formas de onda apresentadas na Figura 4.7, são as mesmas de Figura 3.22 do

capítulo 3. É possível verificar que o comportamento do inversor continuou semelhante,

porém a componente em de alta frequência da comutação do conversor Boost influencia no

TDH da corrente de saída. A dinâmica do controle do inversor permanece a mesma.

54

Figura 4.7 – De cima para baixo tem-se respectivamente: corrente de entrada do inversor.

tensão no barramento, corrente de saída.

A Figura 4.8 também pode ser comparada com a Figura 3.24. Pode-se verificar que o

comportamento da malha de tensão permanece semelhante. Neste caso, a corrente de entrada

não foi zerada, por isso não há inversão de fase da corrente de saída, para carregar o

barramento.

Figura 4.8 – De cima para baixo tem-se respectivamente: corrente de entrada do inversor,

tensão e corrente de saída do inversor, tensão no barramento.

55

Pode-se observar também que presença da frequência de 120Hz do inversor é

refletida na corrente do conversor Boost. Deve-se evitar que essa frequência chegue aos

painéis fotovoltaicos, por isso é interessante utilizar filtros que a ceifem.

Os esforços de tensão e corrente no interruptor S3 podem ser vistos na Figura 4.9. A

sobretensão no interruptor pode chegar a um valor de 420V e o pico de corrente chega a 4,2A.

É interessante perceber a redução nos esforços de tensão no interruptor do inversor.

Figura 4.9 – Esforços de tensão e corrente na interruptor S3 do inversor.

4.4 Análise de harmônicos e rendimento do sistema

No Brasil ainda não existem regulamentações definidas para o TDH de corrente que

pode ser injetado na rede. Segundo [24] , para a rede básica de energia, o Operador Nacional

do Sistema (ONS) estabelece desde 2002 parâmetros de qualidade para a tensão suprida. Mas,

do ponto de vista do consumidor, as restrições a serem consideradas são, na imensa maioria,

as do sistema de distribuição, as quais ainda estão em discussão. A Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL), no já citado documento “Procedimentos de distribuição de energia

elétrica no sistema elétrico nacional – Prodist módulo 8 – qualidade da energia elétrica”,

propõe valores para a distorção harmônica da tensão no sistema de distribuição. Tal

regulamentação ainda não está definida.

Se desejar utilizar o sistema segundo o IEEE, deve-se utilizar a norma descrita em

[25] , que limita a distorção harmônica de corrente na rede em 5%. Neste caso, o sistema

proposto neste trabalho precisaria ser ajustado. A idéia seria reduzir a variação de corrente no

indutor de 10% para 5%. Esse procedimento seria suficiente para redução do TDH de

corrente.

56

Na Figura 4.10, pode ser analisado o espectro de frequência da corrente de saída do

sistema. A fundamental atinge o valor de 4,2A. Pode-se perceber a influência da componente

de alta frequência da comutação de 50kHz do conversor Boost, influenciando diretamente no

aumento do TDH.

Figura 4.10 – Espectro de frequência da corrente de saída do sistema.

O rendimento do sistema para uma radiação média de 1000W/m² encontrado foi de

92,28%, que pode ser considerado um bom rendimento para o sistema desenvolvido. A curva

de rendimento foi traçada para sete pontos diferentes, como pode ser visto na Figura 4.11.

Figura 4.11 – Curva de rendimento do sistema completo: Conversor Boost e Inversor.

57

4.5 Conclusão

Este capítulo detalhou o comportamento do inversor quando alimentado pelo

conversor Boost com MPPT. O inversor mostrou resultados satisfatórios, com o controle de

corrente atuando injetando potência na rede, e o controle de tensão mantendo constante a

tensão no barramento.

O TDH da corrente de saída do sistema ficou com um valor de aproximadamente

5,5%, que pode ser considerado satisfatório para aplicações em território nacional, pois ainda

não possui regulamentações definidas para TDH de corrente injetada na rede. O aumento

desse TDH pode ser explicado pela presença da frequência de comutação do conversor Boost

que é refletida na corrente de saída do Inversor.

O rendimento do sistema ficou na faixa dos 90% que é considerado satisfatório para

a implementação do sistema.

58

CONCLUSÃO GERAL

O inversor monofásico apresentado nesse trabalho mostrou-se como uma alternativa

simples e de baixo custo para o fornecimento de energia para rede.

O controle de corrente média utilizado atuou corretamente impondo a corrente na

rede elétrica e mantendo o fator de potência próximo ao unitário. O controle de tensão

mantém constante a tensão do barramento para qualquer valor de entrada, dessa forma o

inversor opera adequadamente sem causar sobretensões nos interruptores.

O TDH da corrente de saída com valor de 5,5% para o sistema completo é

considerado satisfatórios para a aplicação. Na prática esse TDH pode ser reduzido devido as

indutâncias intrínsecas da própria rede. Os valores de sobretensões e sobrecorrentes nos

componentes do circuito durante os transitórios de carga não ultrapassaram 10%, prolongando

a vida útil destes componentes.

O rendimento teórico do sistema completo foi satisfatório, apresentando valores de

até 92% para carga nominal.

O capítulo 2 detalhou o projeto do circuito de potência do inversor bem como os

resultados de simulação do inversor em malha aberta. Pode-se afirmar que sem um controle

de corrente adequado, o inversor não é capaz de injetar potência na rede elétrica de maneira

satisfatória.

O capítulo 3 desenvolve o controle de corrente média utilizado e o controle de

tensão. A estabilidade do sistema é verificada através dos diagramas de Bode, bem como nas

simulações feitas no final do capítulo.

O capítulo 4 mostra a interligação do inversor com o estágio elevador, com objetivo

de verificar o comportamento do inversor quando alimentado pelo boost. Observou-se um

aumento de 10% no TDH de corrente de saída (de 5,0% para 5,5%) devido ao sinal de

corrente enviado pelo Boost ao inversor, porém o valor ainda é adequado para aplicações a

nível nacional, conforme a ONS.

O trabalho obteve sucesso em elaborar um sistema que processe a energia

proveniente de painéis fotovoltaicos e forneça essa energia gerada para a rede, como forma de

geração distribuída de energia.

59

PERSPECTIVA DE TRABALHOS POSTERIORES

Implementação do controle digital do inversor.

Adição de circuitos de proteção (analógicos ou digitais) contra faltas, surtos afundamentos

de tensão da rede.

Estudo de paralelismo de conversores para aumentar a potência injetada na rede

Realização de testes experimentais no sistema interligado, com a criação de uma interface

com um computador para obtenção de dados.

Estudo da viabilidade financeira do projeto.

60

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Federal de Santa Catarina, Brasil.

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interligados à rede elétrica em centros urbanos do Brasil: Dois estudos de caso”,

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[24] José Antenor Pomilio, “Fascículo/Harmônicos - Capítulo 2 – Normas relativas a fator

de potência de distorção harmônica”.

[25] IEEE (1991) Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in

Electric Power System. Project IEEE-519, oct. 1991.

[26] ONS (2002), Submódulo 3.8 – Requisitos mínimos para a conexão à rede básica.

[27] Eletrônica de Potência – Conversores CC-CC básicos não isolados, Ivo Barbi e Denizar

Cruz Martins – Florianópolis, edição do autor 2006.

[28] Eletrônica de Potência – Projeto de Fontes Interruptoradas, Ivo Barbi – Florianópolis,

edição do autor 2007 – 2ª Edição.

64

APÊNDICE A

CÁLCULO DO CIRCUITO DE POTÊNCIA DO INVERSOR

A.1 Especificações do inversor

A.2 Considerações do projeto

(Capacitância do capacitor do barramento)

A.3 Grandezas envolvidas

Vi 400 [V] (Tensão de entrada)

Vo 220 [V] (Tensão eficaz de saída)

Po 630 [VA] (Potência de saída)

0.95 (Rendimento)

Fp 0.95 (Fator de potência)

fr 60 [Hz] (Frequência da tensão de saída)

fs 30 103

[Hz] (Frequência de comutação)

VT 8 [V] (Valor pico-pico da triangular)

I f 10% (Ondulação de corrente no indutor de filtro)

ff

fs

122.5 10

3 [Hz] (Frequência de corte do filtro de saída)

[Hz] Cb 1.210

3

Potência aparente de saída

[W] So

Po

Fp663.158

Potência de entrada

[W] Pi

Po

663.158

Tensão de pico na saída

Vopk Vo 2 311.127 [V]

Resistência de carga

Ro

Vo2

Po

76.825 [Ω]

65

A.4 Esforços nos componentes

Taxa de modulação

Ma

Vopk

Vi

0.778

Valor de pico da moduladora

VM Ma VT 6.223 [V]

Corrente eficaz de saída

Io

So

Vo

3.014 [A]

Corrente de pico de saída

Iopk Io 2 4.263 [A]

Corrente eficaz de entrada

Ii

Pi

Vi

1.658 [A]

Corrente eficaz no indutor

IL Io2

I f

2

2

3.015 [A]

Corrente de pico nos diodos

Idpk Iopk

I f

2 4.313 [A]

Corrente de pico na interruptor

ILpk Iopk

I f

2 4.313 [A]

Corrente de pico na interruptor

Ispk Iopk

I f

2 4.313 [A]

66

A.5 Dimensionamento dos elementos de filtro do circuito

Cálculo do indutor de filtro

Lf

Vi Vopk Ma

2 fs I f Iopk2.703 10

3 [H]

Cálculo do capacitor de filtro

[F] Cf1

Lf 2 ff 2

1.5 106

67

APÊNDICE B

CÁLCULO FÍSICO DO INDUTOR DE FILTRO

C.1 Considerações de projeto

C.2 Produto das áreas

C.3 Núcleo escolhido: NEE 55/28/21

Bmax 0.3 (Máxima densidade de fluxo, em Tesla)

Ku 0.7 (Fator de utilização da janela do núcleo, valor padrão)

x 0.12 (Constante que depende do formato do núcleo, esse é o valor para núcleos EE)

KT 63.35 (Constante empírica tabelada, válida para os núcleos EE)

T 60 (Acrescimo de temperatura, acima da ambiente)

Kj KT T0.5

(Constante empírica que depende do acrescimo de temperatura)

o 4 107

(Permeabilidade magnética do ar)

Ap

Lf Iopk Io 104

Ku Kj Bmax

1

1 x

3.977

Ae 3.54 (Área efetiva)

Aw 2.50 (Área da janela)

Ap Ae Aw 8.85 (Produto das áreas)

Papx 2 131 262 (Peso aproximado em gramas, para cada E)

Gc 2 (Comprimento interno das pernas do núcleo, [cm])

(Comprimento médio de uma espira [mm]) CME 11.6

68

C.4 Número de espiras

C.5 Entreferro

C.6 Densidade de corrente

C.7 Área de cobre necessária

C.8 Definição do fio

N ceilLf Iopk 1.05( ) 10

4

BmaxAe

114 [espiras]

lg

N Iopk o 102

Bmax

0.204 [cm]

J Kj Apx

415.786 [A/cm2]

J 430 (Adotado) [A/cm2]

Acu

Io

J7.01 10

3 [cm2]

dmax15

fs

0.087 [cm]

Fio 22 [AWG]

dfio 0.064 [cm]

Acu_fio 0.003255 [cm2]

Acu_fio_iso 0.004013 [cm2]

Rfio 0.000708 [cm]

69

C.9 Número de fios

C.10 Comprimento do fio

C.11 Teste de viabilidade

C.12 Resistência do enrolamento

C.13 Perdas

nf ceilAcu

Acu_fio

3

[m] lfio NCME

100 13.224

An N Acu_fio_iso nf 1.372 [cm2]

UtilizaçãoAn

Aw0.549

[Ω] rind

lfio 102

Rfio

nf

0.312

RT 23 Ap0.37

13.8 (Resistência témica do núcleo)

Pt 2 Papx 524 [g] (Peso aproximado dos dois E`s)

B 0.1Bmax 0.03

Pv B2.4

4 105

fs 4 1010

fs2

3.453 10

4 [W/g]

Pn Pv Pt 0.181 [W] (Perdas no núcleo)

[W] (Perdas no cobre)

[°C]

Pcu

Io2

N CME Rfio

nf

2.836

Temp RT Pcu Pn 41.63

70

APÊNDICE C

ESPECIFICAÇÕES DO PAINÉL FOTOVOLTAICO


Unidade

Número de células por painel NS 432 -

Radiação solar média S 1000 W/m²

Temperatura de referência TR 25 ºC

Resistência série equivalente RS 0.008 Ω

Resistência Shunt RSH 1000 Ω

Corrente de curto circuito do módulo ISCO 3.45 A

Corrente de saturação ISO 2.16e-8 A

Banda de energia Eg 1.12 eV

Fator de idealidade A 1.2 -

Coeficiente de temperatura Ct 0.0024 -

Coeficiente de Radiação e Temperatura do módulo KS 0 -

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