SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ILUMINAÇÃO E ALIMENTAÇÃO.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR

CENTRO DE TECNOLOGIA

PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA ILUMINAO E ALIMENTAO DE PEQUENOS EQUIPAMENTOS EM CORRENTE CONTNUA

FELINTO SRGIO FIRMEZA E SILVA

Fortaleza

Junho 2010

ii



Dissertao de mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Cear, como parte dos requisitos para obteno do grau de mestre.

Prof. PhD Fernando Luiz Marcelo Antunes Orientador

Fortaleza

Junho 2010

iii


Por


Dissertao de mestrado aprovada para obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica, pela Banca examinadora formada por:

_________________________________________________ Presidente: Prof. Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD Orientador.

Universidade Federal do Cear

_________________________________________________ Membro: Prof. Srgio Daher, Dr.-Ing.


_________________________________________________ Membro: Prof. Ren Pastor Torrico Bascop, Dr.


_________________________________________________ Membro: Prof. Edilson Mineiro S Jnior, Dr.

Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia do Cear

_________________________________________________

Membro: Prof. Hlio Lees Hey, Dr. Universidade Federal de Santa Maria

Fortaleza, 22 de junho de 2010

iv

A Deus,

Aos meus pais Maria Lilia e Jos Nivaldo,

minha av Maria de Lourdes ,

Aos meus irmos Felipe Csar e Jos Nivaldo,

minha esposa Silvia Noeli.

v

AGRADECIMENTOS

A Deus pelo seu infinito amor.

Aos meus queridos pais e familiares por me incentivarem e valorizarem meu trabalho.

FUNCAP (Fundao Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientfico e

Tecnolgico) e CEPISA (Companhia Energtica do Piau) que contriburam com apoio

financeiro necessrio realizao desse trabalho e desenvolvimento cientfico.

Ao Prof. Fernando Antunes, por sua orientao, amizade, competncia, apoio, exemplos

de vida, sabedoria e valiosos ensinamentos. Agradeo tambm a confiana em mim

depositada para o desenvolvimento de um sistema desse porte.

Aos meus colegas de projeto Sergio Daher, Edilson Mineiro, Alisson Freitas, Saulo

Ximenes e Sarah Kamila que ajudaram com bastante dedicao durante o perodo de

elaborao e implementao do projeto. Agradecimento especial ao Alisson Freitas por me

ajudar nos momentos em que eu no estava presente em Fortaleza por motivo de trabalho.

Aos professores Jos Carlos, Ccero Marcos, Luiz Henrique, Demercil Oliveira, Ren

Bascop e a todos do Departamento de Engenharia Eltrica da UFC, responsveis diretamente

pela minha formao no programa de Mestrado.

Aos meus colegas de mestrado Samuel J, Roque Jnior, Daniel Lima, Lvia, Hermnio

Miguel, Ranoyca Nayana, Antnio Barbosa, Vencio e a todos os amigos que por motivo de

esquecimento no foram citados.

Aos meus colegas de trabalho (IFPI Campus Picos) que me incentivaram para a

realizao do feito.

Aos professores Hlio Leaes, Ren Torrico, Srgio Daher e Edilson Mineiro por

contriburem com sugestes para aperfeioamento deste trabalho.

A todos os que contriburam direta ou indiretamente para a realizao desse trabalho.

vi

Resumo da dissertao apresentada Universidade Federal do Cear como parte dos

requisitos para obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica



Orientador: Prof. Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD.

Palavras-chaves: Sistemas fotovoltaicos isolados, eletrificao rural, carregador de

baterias, conversor elevador.

Nmero de pginas: 89 Pginas.

RESUMO: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico para

alimentar cargas em corrente contnua, sendo aplicado para suprir com energia eltrica uma

escola rural tpica do estado do Piau. O sistema composto por painel fotovoltaico, banco de

baterias, carregador do banco de baterias e conversor CC/CC elevador para alimentar as

cargas em corrente contnua, foi projetado para suprir a escola por dois dias, mesmo em

condies mnimas de radiao solar. A energia solar convertida em energia eltrica pelo

painel solar e armazenada em um banco de baterias do tipo estacionria de chumbo cido. O

carregador de baterias possibilita a carga das mesmas no ponto de mxima potncia (MPP) do

painel. A topologia escolhida para o carregador foi um boost intercalado, a qual seu

funcionamento pode ser comparado a dois conversores boost clssicos, trabalhando em

paralelo, com defasamento de 180 entre os comandos dos interruptores. A carga suprida

atravs de um conversor CC/CC elevador de alto ganho. O projeto completo do sistema e seu

controle so expostos. Finalmente so apresentados os resultados de simulao e os principais

resultados experimentais do prottipo montado em laboratrio e instalado em campo.

vii

Abstract of dissertation presented at University Federal of Cear as partial of fulfillment

of the requirements for the Master degree of in Electrical Engineering.

PHOTOVOLTAIC SYSTEM FOR LIGHTING AND SUPPLY SMALL EQUIPMENT IN DIRECT CURRENT


Advisor: Prof. Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD.

Keywords: Isolated PV system, rural electrification, battery charger, High gain boost

converter.

Number of pages: 89 Pages.

ABSTRACT: This work presents the development of a photovoltaic system (PV) to

supply electricity in DC voltage to household appliances in rural areas. The system consists of

photovoltaic panel, battery bank, battery charger and a boost converter. The system was

designed to support two days of autonomy, even under conditions of minimal solar radiation.

The solar energy is captured by PV panels and stored in a lead acid batterie bank. The battery

charger enables the charge of the batteries on maximum power point (MPP) of the PV panel.

The chosen topology for the charger was a boost interleaved, which operation can be

compared with two classic boost converters working in parallel, with 180 phase shift

between the controls of the switches. The load is supplied through a high gain boost

converter. The complete design of the system and its control are presented. Finally, the

simulation results and the main experimental results obtained from a laboratory prototype and

from a prototype in operation in rural school are shown.

viii

Sumrio

Lista de Figuras ............................................................................................................................................... xi

Simbologia ....................................................................................................................................................... xiv

Acrnimos e Abreviaturas ...................................................................................................................... xvii

CAPTULO - 1 Introduo Geral ............................................................................................................ 1

CAPTULO - 2 Sistemas Fotovoltaicos e o Sistema Proposto ...................................................... 5

2.1 Sistemas Fotovoltaicos .................................................................................... 5

2.1.1 Configurao de Sistemas Isolados .............................................................. 7

2.2 O Sistema Proposto ....................................................................................... 11

2.2.1 Operao do Sistema ................................................................................. 11

2.2.2 Local Escolhido Para Instalao do Prottipo ............................................ 12

2.2.3 Regulamentao e Estudo de Carga ........................................................... 13

2.2.4 Os Conversores ......................................................................................... 15

2.2.5 Dimensionamento do Sistema ................................................................... 17

2.2.6 O Sistema Completo .................................................................................. 21

2.3 Consideraes Finais .................................................................................... 21

CAPTULO - 3 O Carregador de Baterias ........................................................................................ 23

3.1 Circuito Bsico do Carregador de Baterias .................................................. 23

3.2 Etapas de Funcionamento do Carregador de Baterias .................................. 24

3.3 Formas de Onda do Carregador de Baterias ................................................. 26

3.4 Equacionamento do Carregador de Baterias ................................................. 27

ix

3.4.1 Caracterstica de Transferncia Esttica do Carregador de Baterias ........... 29

3.4.2 Filtro de Entrada do Carregador de Baterias .............................................. 29

3.4.3 Filtro de Sada do Carregador de Baterias .................................................. 31

3.5 Dimensionamento e Simulao do Carregador de Baterias ........................... 32

3.6 Controle do Carregador de Baterias ............................................................. 38


CAPTULO - 4 O Conversor Elevador ............................................................................................... 42

4.1 Seleo da Topologia do Conversor Elevador ............................................... 42

4.2 Circuito Bsico do Conversor Elevador ........................................................ 45

4.3 Etapas de Funcionamento do Conversor Elevador ........................................ 45

4.4 Formas de Onda do Conversor Elevador ...................................................... 47

4.5 Equacionamento do Conversor Elevador ...................................................... 49

4.5.1 Relao de Transformao ........................................................................ 49

4.5.2 Indutncias do Conversor Elevador ........................................................... 50

4.5.3 Filtro Capacitivo do Conversor Elevador ................................................... 53

4.6 Dimensionamento e Simulao do Conversor Elevador ................................. 53


CAPTULO - 5 Resultados Experimentais ....................................................................................... 60

5.1 O Prottipo ................................................................................................... 61

5.1.1 Carregador de Baterias .............................................................................. 62

5.1.2 Conversor Elevador ................................................................................... 63

5.2 Resultados Experimentais ............................................................................. 64

x

5.2.1 Resultados do Carregador de Baterias ........................................................ 64

5.2.2 Resultados do Conversor Elevador ............................................................ 67

5.2.3 O Sistema Completo .................................................................................. 70


Concluso Geral ............................................................................................................................................. 73

Referncias ....................................................................................................................................................... 76

APNDICE A .................................................................................................................................................. 80

APNDICE B .................................................................................................................................................. 86

APNDICE C .................................................................................................................................................. 88

xi

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Distribuio dos domiclios rurais no atendidos pela rede eltrica. ............. 1

Figura 2.1 Sistema em corrente contnua direta. ............................................................. 7

Figura 2.2 Sistema em corrente alternada. ....................................................................... 8

Figura 2.3 Sistema em corrente contnua com conversor CC/CC elevador de tenso de

alto ganho. ..................................................................................................................... 9

Figura 2.4 Diagrama de blocos do sistema proposto. ..................................................... 11

Figura 2.5 Fotografias da escola. .................................................................................... 12

Figura 2.6 Topologia do carregador de baterias. ........................................................... 16

Figura 2.7 Topologia do conversor elevador. ................................................................. 17

Figura 3.1 Carregador de baterias. ................................................................................ 24

Figura 3.2 Etapas de funcionamento do conversor boost intercalado. .......................... 25

Figura 3.3 Principais formas de onda do carregador de baterias. ................................ 27

Figura 3.4 Carregador de baterias. ................................................................................ 28

Figura 3.5 Topologia do conversor boost clssico. ......................................................... 28

Figura 3.6 Apresentao grfica da caracterstica de transferncia do conversor boost.

..................................................................................................................................... 29

Figura 3.7 Conversor boost com capacitor de entrada. ................................................. 30

Figura 3.8 Ondulao de corrente e tenso no capacitor de sada. ............................... 31

Figura 3.9 Circuito de simulao do carregador de baterias. ........................................ 34

Figura 3.10 Tenso sobre os interruptores S1 e S2. ....................................................... 35

Figura 3.11 Entrada em conduo e bloqueio do interruptor S1. ................................. 35

Figura 3.12 Entrada em conduo e bloqueio do interruptor S2. ................................. 36

Figura 3.13 Corrente nos indutores L1 e L2. ................................................................. 37

xii

Figura 3.14 Tenso na sada do conversor elevador. ..................................................... 38

Figura 3.15 Detalhe da ondulao da tenso na sada do conversor elevador. ............. 38

Figura 3.16 Fluxograma da rotina de proteo do MPP. .............................................. 39

Figura 3.17 Fluxograma da rotina padro do MPPT. ................................................... 40

Figura 4.1 Topologias no isoladas, modificadas e de alto ganho.................................. 44

Figura 4.2 Conversor boost de alto ganho com grampeador. ........................................ 45

Figura 4.3 Circuito completo e simplificado do conversor boost de alto ganho. ........... 46

Figura 4.4 Etapas de funcionamento do conversor elevador. ........................................ 47

Figura 4.5 Principais formas de onda para o circuito bsico do conversor elevador. .. 48

Figura 4.6 Etapas de funcionamento do conversor elevador. ........................................ 49

Figura 4.7 Forma de onda da corrente ILm do modelo equivalente. .............................. 51

Figura 4.8 Circuito de simulao do conversor elevador. .............................................. 55

Figura 4.9 Tenso sobre o interruptor............................................................................ 56

Figura 4.10 Entrada em conduo do interruptor do conversor elevador. ................... 56

Figura 4.11 Bloqueio do interruptor do conversor elevador. ........................................ 57

Figura 4.12 Tenso na sada do conversor elevador. ..................................................... 57

Figura 4.13 Detalhe da ondulao da tenso na sada do conversor elevador .............. 58

Figura 4.14 Corrente na sada do conversor elevador. .................................................. 58

Figura 5.1 Esquema do circuito de potncia do sistema proposto. ................................ 60

Figura 5.2 Esquema do circuito de potncia do carregador de baterias. ...................... 62

Figura 5.3 Fotografia do carregador de baterias. .......................................................... 62

Figura 5.4 Esquema do circuito de potncia do conversor elevador. ............................ 63

Figura 5.5 Fotografia do conversor elevador. ................................................................ 63

Figura 5.6 Tenso na entrada do carregador de baterias (10 V/div; 10s/div) e

corrente na entrada do carregador de baterias (10 A/div; 10s/div). ....................... 64

xiii

Figura 5.7 Tenso na entrada do carregador de baterias (10 V/div; 10s/div) e tenso

na sada do Carregador de baterias (10 V/div; 10s/div) .......................................... 65

Figura 5.8 Tenso no interruptor S1 (10 V/div; 10s/div) e corrente no indutor L1 (5

A/div; 10s/div). .......................................................................................................... 65

Figura 5.9 Tenso na sada do carregador de baterias (10 V/div; 10s/div) e corrente

na sada do carregador de baterias (10 A/div; 10s/div). .......................................... 66

Figura 5.10 Curva de rendimento do carregador de baterias. ...................................... 66

Figura 5.11 Tenso na entrada do conversor elevador (10 V/div; 200ns/div) e corrente

na entrada do conversor elevador (10 A/div; 200ns/div). .......................................... 67

Figura 5.12 Tenso no interruptor S3 (20 V/div; 20s/div) e corrente no indutor L3 (10

A/div; 20s/div). .......................................................................................................... 68

Figura 5.13 Corrente no primrio do indutor acoplado do conversor elevador (10

A/div; 20s/div) e corrente no secundrio do indutor acoplado do conversor

elevador (10 A/div; 20s/div)...................................................................................... 68

Figura 5.14 Tenso na sada do conversor elevador (100 V/div; 20s/div) e corrente na

sada do conversor elevador (1 A/div; 20s/div). ...................................................... 69

Figura 5.15 Curva de rendimento do conversor elevador. ............................................ 69

Figura 5.16 Estrutura para receber o sistema fotovoltaico. .......................................... 70

Figura 5.17 Painis fotovoltaicos. ................................................................................... 70

Figura 5.18 Sistema completo instalado. ........................................................................ 71

Figura 5.19 Funcionamento do sistema. ......................................................................... 71

xiv

Simbologia

SMBOLO SIGNIFICADO UNIDADE

Ahd Capacidade fornecida pelo mdulo fotovoltaico em um dia Ah

AhL Consumo dirio do sistema Ah

C Capacitncia do capacitor de filtro F

Cbat Capacidade total das baterias Ah

Cg Capacitor grampeador F

CIN Capacitor paralelo com o painel fotovoltaico F

Co Capacitor de filtro F

d Dias de autonomia do sistema Dias

D Ciclo de trabalho -

D1 Diodo boost 1 -

D2 Diodo boost 2 -

DC Profundidade de descarga %

DCB Ciclo de trabalho do carregador de baterias -

DCE Ciclo de trabalho do conversor elevador -

Dg Diogo grampeador -

fCB Freqncia de operao do carregador de baterias Hz

fCE Freqncia de operao do conversor elevador Hz

FCH Freqncia de operao do conversor Hz

I0 Corrente na sada do conversor A

IC0 Corrente no capacitor de filtro A

ICBIN Corrente de entrada no carregador de baterias A

ICEIN Corrente na entrada do conversor elevador A

ID1 Corrente do diodo D1 A

ID2 Corrente do diodo D2 A

IIN Corrente na entrada do conversor A

IL1 Corrente no indutor L1 A

IL2 Corrente no indutor L2 A

Irs Corrente fornecida pelo mdulo fotovoltaico A

K Relao de transformao do transformador ideal -

xv

L1 Indutor de filtro 1 H

L2 Indutor de filtro 2 H

N1 Nmero de espiras do indutor L1 -

N2 Nmero de espiras do indutor L2 -

NP Nmero mnimo de painis fotovoltaicos -

PBAT Energia diria corrigida Watt

PCBOUT Potncia na sada do carregador de baterias W

PCEOUT Potncia na sada do conversor elevador W

POUT Potncia consumida pela carga Watt

Rmed Radiao diria em Uruu W/m2/dia

RS Radiao solar padro W/m2/dia

T Perodo de operao do conversor S

tfunc Tempo de funcionamento dirio h/dia

Vbat Tenso no banco de baterias V

VCBIN Tenso de entrada no carregador de baterias V

VCBOUT Tenso na sada do carregador de baterias V

VCC Tenso no barramento das baterias Volt

VCEIN Tenso na entrada no conversor elevador V

VCEOUT Tenso na sada no conversor elevador V

VCM Tenso mxima no capacitor de filtro V

Vcm Tenso mnima no capacitor de filtro V

VIN Tenso na entrada do conversor V

VOUT Tenso na sada do conversor V

ICBIN Ondulao de corrente na entrada do carregador de baterias A

ICE Ondulao de corrente na entrada no conversor elevador A

IIN Variao da corrente na entrada do conversor A

ILm Variao de corrente no indutor L1 do conversor elevador A

vC0 Variao da tenso no capacitor de filtro V

VCBIN Ondulao de tenso na entrada do carregador de baterias V

VCBOUT Ondulao de tenso na sada do carregador de baterias V

VCEIN Ondulao de tenso na entrada do conversor elevador V

VCEOUT Ondulao de tenso na sada do conversor elevador V

VIN Variao da tenso na entrada do conversor V

xvi

bat Eficincia da bateria -

CB Rendimento para o carregador de baterias %

CE Rendimento para o conversor elevador %

xvii

Acrnimos e Abreviaturas

SMBOLO SIGNIFICADO

AD Analgico-digital

ANEEL Agncia nacional de engenharia eltrica

CA Corrente alternada

CC Corrente contnua

CEPEL Centro de pesquisas de energia eltrica

CFCB Centros fotovoltaicos de carregamento de baterias

COPEL Companhia paranaense de energia

DOE Department of energy

DVD Disco verstil digital

HSP Horas de sol pleno

LCD Display de cristal lquido

MPP Ponto de mxima potncia

NASA National aeronautics and space administration

NREL National renewable energy laboratory

PBE Programa brasileiro de etiquetagem

SFD Sistema fotovoltaico domiciliar

SIGFI Sistemas individuais de gerao de energia eltrica com fontes intermitentes

TV Televisor

MCC Modo de conduo contnua

1

CAPTULO 1

1 Introduo Geral

Existe hoje cerca de dois milhes de domiclios rurais no atendidos pelo sistema

eltrico brasileiro, o que corresponde a 80% do total nacional da excluso eltrica.

Considerando que cada domiclio tem em mdia cinco pessoas, cerca de 10 milhes de

brasileiros vivem no meio rural sem acesso a esse servio pblico. Cerca de 90% dessas

famlias possuem renda mensal inferior a trs salrios mnimos [1].

A Figura 1.1 apresenta a situao da distribuio dos domiclios rurais no atendidos

pela rede eltrica nas cinco regies do Brasil. Observa-se que as mais carentes, no que se diz

respeito ao fornecimento de energia eltrica, so as regies Norte e Nordeste. Entretanto, o

grande problema quanto distribuio de energia eltrica no est na falta de energia para

consumo, e sim na sua distribuio, haja vista que os domiclios sem o fornecimento de

energia esto situados em locais de difcil acesso, distantes do sistema de distribuio

convencional e geralmente concentrados em pequenas quantidades de consumidores.

Figura 1.1 - Distribuio dos domiclios rurais no atendidos pela rede eltrica.

2

Pensando no problema de fornecimento de energia eltrica para as famlias do meio

rural, o governo federal desenvolveu programas que visam suprimir a carncia das

comunidades isoladas. Um exemplo desses programas o Decreto n. 4.873, que em 11 de

novembro de 2003, instituiu o programa LUZ PARA TODOS, com o objetivo de

proporcionar, at o final do ano de 2008, o atendimento com energia eltrica parcela da

populao do meio rural brasileiro que ainda no tem acesso a esse tipo de servio.

Entretanto, durante a execuo do programa, foram localizadas novas famlias sem

fornecimento de energia eltrica e em funo do aumento da demanda, o programa LUZ

PARA TODOS, atravs do Decreto n. 6.442, de 25 de abril de 2008, foi prorrogado para ser

concludo at o ano de 2010 [1],[2],[3].

Esto inseridos no programa do Governo Federal, os Governos Estaduais e as

concessionrias de energia eltrica. As concessionrias, quando solicitado uma nova ligao,

devero fornecer energia eltrica sem acarretar nus para o consumidor quando seu consumo

mensal no exceder 50 kW/ms e observando as metas estabelecidas no Plano de

Universalizao de Energia Eltrica da Concessionria. Segundo o regimento do programa

LUZ PARA TODOS, o atendimento da demanda no meio rural deve ser realizado mediante

trs possibilidades: extenso da rede eltrica, criao de sistemas de gerao descentralizada

com redes isoladas ou sistemas individuais [4].

Atualmente muitos consumidores j foram contemplados com o programa. Grande parte

do fornecimento da energia eltrica foi realizado mediante a extenso da rede convencional.

Entretanto, esse mtodo de fornecimento e a criao de geraes descentralizadas tornam-se

menos atrativas e economicamente inviveis para os casos onde as comunidades rurais

isoladas encontram-se distantes da rede eltrica, isso somado a baixa demanda e baixa

densidade demogrfica.

3

Para os casos de comunidades isoladas os sistemas individuais tm se mostrado bastante

atrativos [4],[5],[6],[7] mesmo com preo inicial mais elevado quando comparado a outras

formas de gerao de energia eltrica.

O custo de um sistema fotovoltaico est amplamente ligado com o que considerado

custo e o que considerado benefcio. Tomando-se os preos de mercado e o ciclo de vida de

um sistema fotovoltaico, o custo da eletricidade gerada por um sistema individual pode ficar

em torno de 3 a 6 R$/kWh [8]. Este custo tem sido fator limitante no uso de sistemas

fotovoltaicos em comparao com custos de energia de origem hidrulica, nuclear ou fssil.

Considerando, entretanto, as dificuldades que hoje se impem na construo de novas usinas

geradoras, as dificuldades e custo na construo de novas linhas de transmisso e distribuio,

custo e dificuldade de acesso a comunidades isoladas, a energia eltrica oriunda de sistemas

fotovoltaicos j pode ser considerada economicamente vivel.

Outros fatores vm a melhorar ainda a relao custo benefcio quanto ao investimento

em tecnologias para uso de energia fotovoltaica. Dentre estes fatores pode ser destacado o

desenvolvimento de uma tecnologia nacional em sistemas fotovoltaicos. Atualmente h uma

predominncia de equipamentos importados, principalmente da Alemanha. Levando-se em

conta custos de importao que so evitados, os sistemas fotovoltaicos tornam-se ainda mais

viveis.

Neste contexto prope-se neste trabalho o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico

para comunidades isoladas no intuito de produzir energia eltrica armazenando-a em baterias

e fornecendo-a para iluminao de ambientes e alimentao de pequenos equipamentos em

corrente contnua [8],[9],[10]. O sistema ser projetado com capacidade de alimentar

residncias ou pequenas escolas rurais com potncia instalada de at 30 kWh e atender,

quanto capacidade e autonomia de operao, s resolues normativas e autorizativas da

ANEEL.

4

Uma breve sntese do trabalho apresentada a seguir:

O segundo captulo tem incio com o estudo de sistemas fotovoltaicos, assim como as

principais configuraes instaladas no Brasil. Neste captulo tambm ser apresentado o

sistema proposto com seu dimensionamento de acordo com as normas regulamentadoras e

autorizativas da ANEEL [4].

O terceiro captulo apresenta o estudo terico do conversor responsvel pelo

carregamento do banco de baterias (denominado carregador de baterias). Sero apresentados

princpio de funcionamento, equacionamento, projeto, simulao e controle. O controle deve

garantir que o painel fotovoltaico opere no ponto de mxima potncia, assim garantindo que

seja extrada a sua mxima potncia para qualquer nvel de radiao solar.

O quarto captulo apresenta o foco principal do trabalho que um conversor capaz de

alimentar cargas residenciais (TV LCD, DVD, rdio, etc..) operando em corrente contnua.

Para isso os eletrodomsticos devem possuir um estgio de retificao interna na sua entrada.

Sero apresentados seu princpio de funcionamento, equacionamento, projeto e simulao.

No captulo cinco so apresentados os resultados experimentais para os dois prottipos

implementados, assim, verificando e comprovando os estudos tericos realizados nos

captulos anteriores.

Ao fim do trabalho descreve-se a concluso geral acerca de todo o estudo, juntamente

com sugestes para trabalhos futuros.

5

CAPTULO 2

2 Sistemas Fotovoltaicos e o Sistema Proposto

O presente captulo tem incio com um breve estudo sobre sistemas fotovoltaicos

domiciliares SFD, apresentando suas principais configuraes utilizadas no mundo. Em

seguida ser apresentado o sistema proposto para este trabalho. O sistema tem objetivo de

suprir com energia eltrica uma residncia ou escola rural, atendendo a Resoluo Normativa

de n. 83, de 20 de setembro de 2004 e a Resoluo Autorizativa n. 927 de 29 de maio de

2007 ANEEL (Agncia Nacional de Energia Eltrica), quantos aos critrios de autonomia

no fornecimento de energia eltrica [11],[12].

O sistema proposto apresenta um novo modelo de alimentao para localidades rurais,

onde a mesma realizada em corrente contnua e capaz de alimentar a grande maioria dos

equipamentos comuns que seriam utilizados em sistemas com corrente alternada. Basta que os

mesmos possuam um retificador em seu estgio de entrada e que seus diodos suportem a

corrente de alimentao do equipamento.

2.1 Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos so sistemas de energia eltrica que convertem a luz emitida

pelo sol em energia eltrica de forma limpa e confivel sem consumo de combustvel fssil,

lquido ou gasoso. A converso ocorre no painel fotovoltaico e resultado do movimento de

eltrons entre as bandas de valncia e conduo gerando uma diferena de potencial e dando

origem a uma corrente eltrica. Maiores informaes sobre painis fotovoltaicos podem ser

encontradas em [4],[6],[7],[13],[19].

6

A energia eltrica fornecida pelo painel armazenada em baterias sobre superviso do

controlador de carga. Na grande maioria dos casos para que essa energia armazenada seja

consumida necessita-se de um circuito inversor o qual tem a funo de converter corrente

contnua em corrente alternada. Dessa forma os sistemas fotovoltaicos so constitudos

basicamente por;

Painel fotovoltaico Elemento responsvel pela converso da energia solar em energia

eltrica.

Controlador de carga Dispositivo eletrnico capaz de realizar a adaptao do painel

fotovoltaico ao banco de baterias controlando o carregamento da mesma.

Bateria Dispositivo que acumula a energia disponibilizada pelo painel fotovoltaico na

forma qumica, por esse motivo, tambm chamada de acumuladores de corrente.

Inversor Dispositivo eletrnico capaz de converter corrente contnua em corrente

alternada.

Os sistemas fotovoltaicos possuem vantagens e desvantagens quando comparados a

outras formas de gerao de energia eltrica. Pode-se citar como vantagem; durabilidade,

baixo custo de manuteno, custo zero com combustveis, descentralizao da rede eltrica e

reduo da poluio ambiental. Entretanto, possui desvantagem de alto custo inicial, potncia

instantnea do sistema pode sofrer oscilao devida variaes da radiao solar disponvel,

necessitam de acumuladores (no caso dos isolados), necessita de conscientizao e

treinamento do usurio, etc.

As primeiras utilizaes de sistemas fotovoltaicos foram em satlites e sondas espaciais.

Em maro de 1958, embora no convicta das vantagens da utilizao de painis solares, a

NASA lanou o primeiro satlite que utilizava energia solar, o Varguard I. Desde ento a

utilizao vem aumentado gradativamente [14],[15].

7

No Brasil os primeiros sistemas fotovoltaicos que visam atender domiclios foram

implantados no final de 1992 atravs de um projeto de cooperao internacional

CEPEL/DOE/NREL [16].

Os sistemas fotovoltaicos possuem duas configuraes: sistemas interligados a rede e

sistemas isolados. Os sistemas interligados a rede ainda so pouco utilizados no Brasil devido

falta de programas de incentivo por parte do governo e elevado custo quando comparado a

outras formas de gerao de energia eltrica (hidrulica, trmica, etc.). Os sistemas isolados,

foco desse trabalho, so utilizados em locais onde a extenso da rede eltrica convencional

ainda proibitiva em termos econmicos. Podem ser divididos em duas configuraes e sero

detalhadas a seguir.

2.1.1 Configurao de Sistemas Isolados

Atualmente existem dois tipos de configuraes para sistemas isolados; sistemas em

corrente contnua direta e sistemas em corrente alternada com conversor CC/CA [10].

O mais simples dos sistemas autnomos aquele onde existe apenas um conversor em

corrente contnua (carregador de baterias) que carrega o banco de baterias. Os equipamentos a

serem alimentadas so conectados diretamente nas baterias. Isto significa que, as cargas

devem possuir normalmente tenso de operao 12 ou 24 Vcc [10], [17]. A Figura 2.1

apresenta o sistema em corrente contnua direta.

Figura 2.1 Sistema em corrente contnua direta.

Esse sistema apresenta teoricamente algumas vantagens em relao ao outro citado

acima, tais como: menores perdas j que composto apenas de um conversor, menor

8

investimento inicial, menor custo de manuteno e operao, etc. [18]. O mesmo sistema

apresenta como desvantagem a dificuldade de encontrar no mercado os equipamentos

eletrnicos a serem utilizados.

Um modelo desse sistema foi instalado pela COPEL no litoral norte do estado do

Paran denominado de centros fotovoltaicos de carregamento de baterias CFCB. Os

CFCBs consistem em mdulos fotovoltaicos instalados junto ao prdio do centro de carga,

fornecendo energia para o recarregamento de baterias. Nesse prdio so instaladas diversas

tomadas (proporcional ao nmero de usurios) para que o usurio chegue e realize o

recarregamento de sua bateria.

O sistema no obteve grande sucesso, pois os usurios submetiam as baterias a uma

descarga profunda, dessa forma reduzindo drasticamente a vida til das mesmas.

A segunda configurao seria para o caso onde se deseja utilizar equipamentos

eletrnicos que operem em corrente alternada. Deve-se acrescentar ao sistema anterior um

conversor CC/CA (inversor), como mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2 Sistema em corrente alternada.

Dentre as configuraes de sistemas isolados essa a mais utilizada atualmente. Possui

como vantagem a possvel conexo de qualquer equipamento que opere em corrente

alternada, desde que respeite os limites do sistema, assim como sua possvel conexo a rede

eltrica convencional. Como desvantagem possui menor rendimento, uma vez que apresenta

perdas no carregador de baterias e no inversor. No caso do inversor, o com melhor

9

rendimento, apresenta rendimento mximo de 0,85 [18]. Ainda em relao s desvantagens

tambm pode ser citado o maior custo do sistema devido incluso do inversor.

A energia proveniente da converso fotovoltaica possui um custo elevado quando

comparado a hidrulica. Baseado nessa informao cada vez mais os sistemas fotovoltaicos

vm passando por processos de aperfeioamento em sua eficincia. Os primeiros painis

fotovoltaicos construdos possuam eficincia de converso em torno de 1% a 2%. As clulas

produzidas hoje para atender o mercado chegam a 17% [19]. J possvel encontrar maior

eficincia em prottipos de clulas fotovoltaicas construdas em laboratrios com materiais

nobres, onde a produo comercial ainda invivel.

O elevado preo da energia gerada atravs da converso fotovoltaica est apontando

para condies extremamente favorveis adoo de medidas de eficincia energtica. A

utilizao de equipamentos de consumo de energia eficientes, mesmo que sendo mais caros

que os comuns, reduzem consideravelmente o consumo e o tamanho do sistema [8]. Levando

em considerao essa afirmao grande parcela dos novos sistemas fotovoltaicos est

utilizando esses tipos de equipamentos. Podem ser citados como exemplos lmpadas

fluorescentes compactas e televisores LCD.

Todos esses equipamentos eficientes possuem estgio de retificao na sua entrada,

dessa forma podendo ser conectados diretamente a um sistema em corrente contnua onde a

tenso de operao seja 156 Vcc ou 311 Vcc dependendo da localidade a ser instalado. Para

que esse valor de tenso seja alcanado deve-se inserir ao sistema em corrente contnua direta

um conversor elevador CC/CC de alto ganho conforme apresenta a Figura 2.3.

Figura 2.3 Sistema em corrente contnua com conversor CC/CC elevador de tenso de alto ganho.

10

A Figura 2.3 apresenta uma terceira configurao de sistemas individuais onde a

alimentao dos equipamentos realizada em corrente contnua e tenso elevada. Esse

modelo quando comparado ao de corrente contnua direta, apresenta desvantagem de maior

perda, uma vez que possui as perdas que so inseridas ao adicionar o conversor elevador.

Entretanto, comparando com o mesmo sistema, possui a vantagem de o usurio encontrar

facilmente no mercado os equipamentos a serem utilizados.

Quando comparado aos sistemas de corrente alternada apresenta a vantagem de inserir

menores perdas, uma vez que o conversor elevador proposto pode ser projetado para

apresentar um maior rendimento que o inversor tanto a plena carga quanto a vazio.

A Tabela 1 apresenta a comparao entre as trs configuraes de sistemas fotovoltaicos

quanto ao menor custo inicial, maior eficincia e maior facilidade de encontrar os

equipamentos a serem utilizados no mercado comum.

Tabela 1 Comparao entre os trs sistemas individuais.

Sistema Custo inicial

Eficincia

Facilidade de encontrar

equipamentos a serem utilizados

CC direto Baixo Elevada Baixo

CA Elevado Mdia Elevado

CC com conversor elevador de tenso

Mdio Elevada Elevado

Observando a Tabela 1 e levando em considerao que na localidade onde ser

instalado o sistema no se pode encontrar facilmente os equipamentos especficos, possvel

afirmar que os sistemas em corrente contnua com conversor elevador so mais atrativos.

Assim, foi utilizada a proposta do sistema em corrente contnua com conversor elevador de

tenso para este trabalho.

11

2.2 O Sistema Proposto

O prottipo foi desenvolvido para suprir com energia eltrica uma escola rural tpica do

estado do Piau, e atendendo a Resoluo Normativa de n. 83, de 20 de setembro de 2004 e a

Resoluo Autorizativa n. 927 de 29 de maio de 2007 ANEEL (Agncia Nacional de

Energia Eltrica), quantos aos critrios de autonomia no fornecimento de energia eltrica

[11],[12].

O sistema total composto pelos painis solares, carregador de baterias, baterias

estacionrias e conversor elevador conforme apresenta a Figura 2.4. No decorrer desse item,

cada elemento ser dimensionado de forma que possa suprir as necessidades do projeto.

Figura 2.4 Diagrama de blocos do sistema proposto.

2.2.1 Operao do Sistema

Durante o dia, perodo em que existe radiao solar, o painel fotovoltaico, podendo

operar no ponto de mxima potncia, carrega o banco de baterias atravs do carregador de

baterias. O fornecimento de energia eltrica para a carga realizado atravs do conversor

elevador, o qual responsvel por elevar a tenso do banco de baterias de 24 Vcc para 311

Vcc. O prottipo foi instalado em uma escola rural apresentada no item a seguir.

12

2.2.2 Local Escolhido Para Instalao do Prottipo

O local escolhido para instalao do sistema foi uma escola rural que possui aulas

somente no perodo da noite das 19h s 22h.

A escola composta por duas salas de aula, um pequeno ptio, dois banheiros, uma

cantina e um depsito. A Figura 2.5 apresenta fotografias da escola, da sala de aula, do ptio

entre as duas salas de aula e dos banheiros.

Figura 2.5 Fotografias da escola.

A regio onde localizada a escola possui boa disponibilidade de horas de sol pleno

(HSP), conforme apresenta a Tabela 2. Entende-se por HSP quantidade mdia de horas de

sol a uma intensidade 1000 W/m2 e equivalente energia total diria incidente sobre a

superfcie do gerador em kWh/m2. [4]

13

A Tabela 2 apresenta a radiao diria mdia mensal na regio de Uruu-PI. So

apresentados os valores mensais, a mdia e o delta. O delta a diferena entre o maior e o

menor valor mensal.

Tabela 2 Radiao diria mensal na regio de Uruu

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Md ()

Valor (kWh/m2) 4,78 4,79 4,89 5,04 5,32 5,86 6,32 5,68 5,95 5,68 5,25 4,94 5,37 1,54

2.2.3 Regulamentao e Estudo de Carga

O projeto em estudo visa o desenvolvimento de um sistema fotovoltaico autnomo o

qual se enquadra no atendimento a sistemas individuais, tendo como forma de energia

primria a energia solar. A aplicao desse tipo de sistema se faz necessria em regies

remotas, onde o atendimento pelo sistema de distribuio convencional economicamente

invivel.

De acordo com o Decreto n. 4.873, de 11 de novembro de 2003, titulado de Luz para

Todos, um sistema individual deve estar apto a fornecer energia para: domiclios (um ponto

de luz por cmodo at o limite de trs pontos de luz e duas tomadas) e estabelecimentos

coletivos: escolas e postos de sade (o atendimento deve ser completo).

A Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) estabelece os procedimentos e

condies para os sistemas de gerao descentralizados individuais em sua resoluo

Normativa n. 83, de 20 de setembro de 2004, que utilizada como base para as

especificaes do projeto.

Esses sistemas so nomeados de Sistemas Individuais de Gerao de Energia Eltrica

com Fontes Intermitentes (SIGFI). Nas condies gerais da Resoluo so colocadas como

caractersticas obrigatrias aos SIGFIs, o fornecimento da energia eltrica em corrente

alternada senoidal, com o mesmo padro de tenso e freqncia predominante no municpio

14

onde for instalado o sistema e deve estar enquadrado em uma das classes de atendimento

explicitadas na Tabela 3 [11].

A fim de realizar estudos de alternativas mais econmicas regulamentao vigente, a

ANEEL, autorizou atravs da Resoluo Autorizativa n. 927 de 29 de maio de 2007, o estudo

e a implantao de um projeto piloto com a opo de atendimento atravs de corrente

contnua [8].

Tabela 3 Classificao dos SIGFIs.

Classes de Atendimento

Consumo Dirio de

Referncia (Wh/dia)

Autonomia (dias)

Potncia Mnima (disponibilizada)

Disponibilidade Mensal Garantida

(kWh)

SIGFI13 435 2 250 13

SIGFI30 1000 2 500 30

SIGFI45 1500 2 700 45

SIGFI60 2000 2 1000 60

SIGFI80 2700 2 1250 80

O projeto foi desenvolvido para alimentar uma escola rural que apresenta o perfil de

carga apresentado na Tabela 4.

Tabela 4 Perfil de carga.

Quantidade Descrio Potncia

(W) Demanda

(h/dia) Total

(Wh/dia)

04 Lmpada fluorescente compacta (4x23) 92 3 276



01 Televisor 48 3 144

01 Parablica 10 3 30

01 Rdio 10 3 60

01 DVD 20 3 60

Total 696

A distribuio da iluminao ficou da seguinte forma:

- Salas de aula: Duas lmpadas fluorescentes compactas de 23 W;

- Corredor: Duas lmpadas fluorescentes compactas de 11 W;

- Banheiros, depsito e cantina: Uma lmpada fluorescente compacta de 5 W para cada

compartimento.

15

Atravs da Tabela 4 pode-se observar que o consumo dirio da escola superior a 435

Wh/dia, mas no ultrapassa 1000 Wh/dia, dessa forma o atendido dever ser realizado pelo

SIGFI30. O fornecimento de energia eltrica deve ser garantido a qualquer perodo do ano

independente das condies climticas, dessa forma, no projeto foi levado em considerao o

pior ms de radiao solar, que de acordo com a Tabela 2 Janeiro o qual apresenta 4,78

kWh/m2.

O mtodo de dimensionamento utilizado para o sistema refere-se ao SIGFI30, o qual

possui um consumo dirio de referncia de 1000 Wh/dia e autonomia do sistema de

armazenamento de dois dias conforme apresenta a Tabela 3. Vale lembrar que se deve

adicionar um dia de autonomia ao clculo, uma vez que as baterias ao amanhecer do primeiro

dia sem insolao j tero sofrido descarga durante a noite anterior.

A tenso do barramento do banco de baterias foi adotada 24 V no intuito de reduzir a

corrente de entrada do conversor elevador e conseqentemente minimizar as perdas por

conduo dos interruptores.

2.2.4 Os Conversores

De acordo com o item 2.2.1, o sistema proposto composto por dois conversores;

carregador de baterias e o conversor elevador de tenso. Nesse tpico ser apresentada a

configurao bsica dos conversores, cujo detalhamento e a anlise sero objeto dos captulos

seguintes.

Carregador de Baterias

A Figura 2.6 mostra a topologia do carregador de baterias. Esse conversor apresenta

como vantagem a baixa ondulao de corrente na entrada e baixa ondulao de tenso na

16

sada, dessa forma reduzindo o tamanho do indutor de entrada e o capacitor de sada.

Figura 2.6 Topologia do carregador de baterias.

Seu principio de funcionamento semelhante a dois conversores boost clssicos em

paralelo com defasamento de 180 nos pulsos dos interruptores. Ou seja, no momento em que

um conversor est armazenando energia fornecida pela entrada o outro est transferindo para

a carga, desta forma existindo sempre a transferncia de energia da entrada para sada, assim

reduzindo a ondulao de tenso e corrente na sua sada.

Conversor Elevador

A Figura 2.7 apresenta a topologia do conversor elevador. De acordo com a necessidade

do projeto, o mesmo dever possuir tenso de entrada 24 Vcc e sada 311 Vcc, apresentando

assim um ganho esttico de 311/24. Ou seja, o ganho igual a aproximadamente 13. Para essa

faixa de ganho (considerada bastante elevada), os conversores clssicos no-isolados no so

interessantes, pois para altos ganhos, essas topologias requerem que o interruptor opere ao

mesmo tempo com elevada corrente de entrada e elevada tenso de sada, caracterizando

assim uma situao desfavorvel do ponto de vista prtico.

17

Figura 2.7 Topologia do conversor elevador.

Seu princpio de funcionamento semelhante a um conversor boost clssico,

diferenciando apenas o indutor acoplado. No primeiro estgio, quando o interruptor S1 est

conduzindo, o conversor armazena energia no indutor L1 enquanto que a carga totalmente

suprida pela energia armazenada no capacitor de sada C0. No segundo estgio o interruptor

S1 bloqueado e a energia armazenada no indutor L1 transferida juntamente com a tenso

de entrada para a carga. Nesse momento o capacitor de sada passa a ser carregado.

Foi adicionada a topologia original um circuito snubber regenerativo com objetivo de

evitar sobretenses sobre o interruptor de potncia. Posteriormente, sero analisadas as etapas

de operao deste conversor.

2.2.5 Dimensionamento do Sistema

Neste item ser dimensionado o sistema completo; gerador fotovoltaico, carregador de

baterias, banco de baterias e conversor elevador de tenso.

Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico

Para dar inicio ao dimensionamento deve-se conhecer a potncia consumida pelo

sistema. Sabe-se que o sistema deve fornecer (SIGFI30) mensalmente 30 kWh/ms ento se

pode encontrar que o consumo dirio 1000 Wh/dia. Para conhecer o valor consumido por

hora basta dividir o consumo dirio por 24, quantidade de horas por dia. Entretanto, o sistema

18

opera apenas trs horas por dia, conforme apresenta a Tabela 4, assim o consumo dirio de

referncia referente s trs horas diria aproximadamente 333,3 W.

Encontrado o consumo dirio de referncia deve-se corrigir esse valor de energia

considerando a eficincia da bateria e do controlador de carga. No caso foi considerado

bat=0,85 para eficincia da bateria e foram desprezadas as perdas no carregador de baterias

devido utilizao do ponto de mxima potncia (MPP). O painel fotovoltaico utilizado foi o

KC130 T da Kyocera. O dimensionamento foi realizado de acordo com [19].

O valor corrigido corresponde energia que o sistema de acumulao deve fornecer

diariamente ao SFD para que sejam garantidos os 1000 Wh/dia na sada do gerador

fotovoltaico de acordo com a Equao 1.

392 153outBat BatBat

PE P , W

= = (1)

Onde:

EBat Energia diria em W corrigida;

bat Eficincia da bateria;

Pout Potncia consumida pela carga.

A capacidade do sistema em um dia (Ah/dia) dado pela Equao 2.

49 019Bat funcL LCC

E tAh Ah , Ah/dia

V

= = (2)

Onde:

AhL Capacidade diria do sistema (Ah/dia);

tfunc Tempo de funcionamento dirio (3h);

VCC Tenso no barramento (24 V).

19

A capacidade mdia de gerao de cada mdulo por dia dada pela Equao 3.

35,324 /rs medd dS

I RAh Ah A h dia

R

= = (3)

Onde:

Ahd Capacidade mdia de gerao de cada mdulo por dia;

Irs Corrente fornecida pelo mdulo fotovoltaico KC130 T (7,39A);

Rmed Radiao diria no Piau (4780 W/m2/dia) [31];

RS Radiao solar padro (1000 W/m2/dia).

O nmero mnimo de painis fotovoltaicos dado pela Equao 4.

2,77512

L CC

d

Ah VNP NP

Ah

= =

(4)

Atravs das Equaes 3 e 4 pode-se observar que para suprir as necessidades da escola,

o sistema dever ser composto por trs painis fotovoltaicos KC130 T.

Dimensionamento do Elemento Armazenador

As principais especificaes das baterias necessrias ao dimensionamento so; a

capacidade individual de carga (em Ah), tenso nominal por elemento e a relao entre limite

mximo de descarga profunda e o total de ciclos para a vida til. Este ltimo item merece

destaque, pois ir afetar a quantidade de baterias no banco e tambm sua vida til.

O sistema foi dimensionado para trs dias de autonomia e uma profundidade mxima de

descarga de 60% conforme apresenta a Equao 5.

20

hACD

dAhC Bat

c

LBat =

= 096,245 (5)

Onde:

Cbat Capacidade total das baterias (Ah);

d Dias de autonomia (3 dias);

DC Mxima profundidade de descarga (60%).

Dessa forma o banco de baterias ser composto por quatro unidades de 12 V, 150 A

totalizando 24 V, 300 A.

Capacidade do Carregador de Baterias

De acordo com a Equao 4 o carregador de baterias dever ter capacidade de processar

no mnimo a mxima potncia fornecida pelos trs painis fotovoltaicos KC 130 T. Sabe-se

que cada painel possui 130 Wp e a soma dos trs totaliza 390 Wp, dessa forma o carregador

de baterias dever ser dimensionado para suportar potncia nominal de 390 W.

Capacidade do Conversor Elevador

O conversor, denominado de elevador, responsvel por alimentar as cargas atravs da

energia fornecida pelo banco de baterias, dessa forma a capacidade do conversor encontrada

atravs da potncia demandada pelos equipamentos ligados a sua sada. Conforme os dados a

Tabela 4 apresenta o perfil de carga da escola. Considerando que todas as cargas sejam

ligadas ao mesmo tempo, ser exigido que o conversor tenha capacidade de processar 222 W,

dessa forma o mesmo dever ser dimensionado para suportar carga nominal de 222 W.

21

De acordo com a Resoluo Normativa n. 83, o SIGFI30 deve disponibilizar potncia

mnima de 500 W para a carga, dessa forma foi construdo um conversor com potncia total

de 600 W, sendo dividido em duas clulas paralelas, onde cada uma capaz de processar 300

W.

2.2.6 O Sistema Completo

Uma vez realizado os clculos e feitas s consideraes necessrias para o sistema,

finalmente pode-se chegar a configurao proposta que tem como base um carregador de

baterias de 390 W, um conversor elevador de 600 W, um gerador fotovoltaico de 390 Wp (3

painis de 130 Wp) e um banco de baterias de 600 Ah (4 baterias de 150 Ah) conforme

apresenta a Tabela 5.

Tabela 5 Componentes do projeto.

Quantidade Componente Descrio

03 Painel KC 130T 130 Wp

04 Bateria de chumbo cido 12 V / 150 Ah

01 Carregador de baterias 390 W

01 Conversor elevador 600 W

2.3 Consideraes Finais

Neste captulo foi apresentado um breve estudo de sistemas fotovoltaicos mostrando as

principais configuraes de sistemas individuais, alm do sistema proposto para esse trabalho.

Foi apresentado o dimensionamento e o funcionamento de cada componente do sistema

proposto.

Entre os tipos de configuraes de sistemas fotovoltaicos individuais expostos, o que se

mostrou mais atrativo, quando se tratando de localidades rurais isoladas, foi a configurao

que opera com corrente contnua e possui conversor elevador de tenso de alto ganho.

Inicialmente o conversor elevador de tenso foi implementado para 300 W, j que seria

necessrio apenas 222 W. Entretanto para o sistema se enquadrar no SIGFI30 seria necessrio

22

que o mesmo possusse 600 W. Devido urgncia de o projeto estar pronto em um curto

intervalo de tempo, e j era disponvel o projeto para 300W, foi decidido que o mesmo

passaria a ser composto por duas clulas paralelas de 300 W totalizando 600 W.

23

CAPTULO 3

3 O Carregador de Baterias

Esse captulo apresenta o dimensionamento, o projeto, a simulao e o controle do

conversor carregador de baterias. Ser exposto seu princpio de funcionamento, assim como

suas respectivas etapas de funcionamento, formas de onda e detalhes de comutao.

O conversor possui controle digital que tem como funo monitorar a tenso na bateria,

controlar a corrente de carga, gerar a razo cclica para acionamento dos interruptores e

fornecer comunicao com um display LCD externo, alm da busca do ponto de mxima

potncia do painel (MPP - Maximum Power Point).

A sada do conversor conectada a um banco de baterias e segundo [19] para um

pequeno intervalo de tempo uma bateria pode ser considerada como uma fonte de tenso

constante, dessa forma pode-se encontrar o ponto de mxima potncia MPP, atravs da

procura da mxima corrente de carga.

3.1 Circuito Bsico do Carregador de Baterias

A topologia escolhida para ser utilizada no conversor carregador de baterias foi a

estrutura boost intercalado. A escolha deu-se devido baixa ondulao de corrente na entrada

(facilitando na procura do ponto de mxima potncia) e ondulao de tenso na sada do

conversor, desta forma reduzindo o volume e peso dos componentes.

A Figura 3.1 apresenta o circuito bsico de potncia do conversor boost intercalado que

pode ser implementado na prtica para o carregador de baterias.

24

Figura 3.1 Carregador de baterias.

O princpio bsico de operao de um conversor boost intercalado operando MCC

semelhante de dois conversores boost clssicos em paralelo operando com comando dos

interruptores defasados de 180 em relao ao outro. Esse defasamento responsvel pela

reduo da ondulao de corrente na entrada e tenso na sada.

Pode-se observar na Figura 3.1 que a corrente de entrada do conversor boost intercalado

(IIN) a soma das correntes dos dois indutores IL1 e IL2, dessa forma ocorrendo uma anulao

mtua dos picos das mesmas e por conseqncia existe uma reduo de sua ondulao. Na

mesma Figura possvel observar que sempre existe corrente circulando e carregando o

capacitor de sada, assim o capacitor no sofrer grande descarga e a ondulao em seus

terminais reduzida. A menor ondulao de corrente na entrada e tenso na sada ocorre

quando o ciclo de trabalho esta ajustado para 0,5 [20].

3.2 Etapas de Funcionamento do Carregador de Baterias

O princpio de funcionamento do conversor proposto pode ser entendido a partir da sua

diviso em etapas de funcionamento, que composta por duas etapas bsicas, como ilustrado

na Figura 3.2 a e b. A seguir so descritas ambas etapas de operaop.

Deve-se ainda mencionar que a presente anlise realizada considerando que o

conversor est operando no modo de conduo contnua (MCC), onde caracterizada a

25

continuidade da corrente nos indutores. Para facilitar o entendimento a razo cclica foi

considera 0,5.

Deve-se considerar que o capacitor de filtro de sada (Co) est carregado com a tenso

VOUT antes do incio do primeiro estgio de operao.

a) Primeira etapa de funcionamento.

b) Segunda etapa de funcionamento.

Figura 3.2 Etapas de funcionamento do conversor boost intercalado.

Primeiro estgio [t0, t1] apresentado na Figura 3.2 a. Considera-se que nesse

estgio, S1 e D2 esto conduzindo, L1 est armazenando e L2 est transferindo energia para a

carga. Esse estgio tem incio quando o interruptor S1 entra em conduo. Durante o mesmo a

fonte de entrada carrega o indutor L1, sua corrente (IL1) cresce linearmente at seu valor

26

mximo enquanto que a carga totalmente suprida pela energia armazenada em L2. A

primeira etapa acontece at o momento onde o interruptor S1 comandado a abrir.

Segundo estgio [t1, t2] apresentado na Figura 3.2 b. O estgio tem incio quando a

corrente no indutor L1 mxima e o interruptor S2 e o diodo D1 comeam a conduzir.

Durante esse estgio a fonte de entrada carrega o indutor L2, sua corrente (IL2) cresce

linearmente at o seu valor mximo enquanto que a carga totalmente suprida pela energia

armazenada em L1. Esse estgio acontece at o momento em que o interruptor S2

comandado a abrir e o primeiro estgio volta a acontecer.

3.3 Formas de Onda do Carregador de Baterias

A Figura 3.3 apresenta as principais formas de onda terica do conversor operando em

modo de conduo contnua e razo cclica 0,5, onde so apresentadas as formas de onda dos

pulsos nos interruptores S1 e S2, corrente nos interruptores, corrente nos diodos D1 e D2,

corrente nos indutores L1 e L2, tenso e corrente na sada do conversor e a corrente no

capacitor de filtro Co.

27

Figura 3.3 Principais formas de onda do carregador de baterias.

3.4 Equacionamento do Carregador de Baterias

O seguinte tpico relaciona as equaes bsicas e essenciais ao projeto do circuito de

potncia do carregador de baterias.

Pode-se observar na Figura 3.4 que a topologia proposta pode ser comparada (no intuito

de facilitar seu equacionamento) a dois conversores boost clssicos associados em paralelo.

28

Considerando esse fato o dimensionamento torna-se menos complexo uma vez que a

topologia do conversor boost clssico j bastante conhecida na literatura.

Figura 3.4 Carregador de baterias.

A Figura 3.5 apresenta a topologia do conversor boost clssico.

Figura 3.5 Topologia do conversor boost clssico.

Analisando os conversores apresentados nas Figuras 3.4 e 3.5 a equivalncia s no

pode ser aplicada para o filtro capacitivo da sada, visto que a topologia em estudo apresenta a

vantagem de possui baixa ondulao na tenso de sada, dessa forma necessitando de um

valor de capacitncia bem inferior quando comparado ao conversor boost clssico.

Assim, realiza-se o equacionamento de um dos conversores e repetem-se os parmetros

calculados para o outro (capacitor de entrada, indutores e razo cclica).

29

3.4.1 Caracterstica de Transferncia Esttica do Carregador de Baterias

A caracterstica de transferncia esttica para o conversor boost operando em modo de

conduo contnua dada pela Equao 6 [21],[22].

0 1

1IN

V

V D=

(6)

Onde:

V0 Tenso na sada do conversor;

VIN Tenso na entrada do conversor;

D Ciclo de trabalho.

A Equao 6 pode ser demonstrada graficamente atravs da Figura 3.6.

Figura 3.6 Apresentao grfica da caracterstica de transferncia do conversor boost.

3.4.2 Filtro de Entrada do Carregador de Baterias

O valor do indutor de entrada pode ser encontrado atravs da Equao 7 [21].

1IN

IN CH

V DL

I F

=

(7)

30

Onde:

IIN Ondulao de corrente na entrada do conversor;

FCH Freqncia de operao do conversor.

O painel fotovoltaico no ponto de mxima potncia pode apresentar caractersticas tanto

como fonte de corrente como fonte de tenso. O primeiro comportamento no interessante

para o conversor boost uma vez que quando alimentado por uma fonte de corrente constante a

sua tenso de sada ser reduzida medida que a razo cclica aumenta [19]. Dessa forma,

necessrio a incluso de um capacitor na entrada do conversor conforme apresenta a Figura

3.7. Esse capacitor tem como funo garantir que o painel sempre opere como fonte de

tenso.

Figura 3.7 Conversor boost com capacitor de entrada.

O valor de CIN pode ser encontrado atravs da Equao 8 [6].

1 IN ININ

IN IN

L I IC

V V

=

(8)

Onde:

VIN Ondulao de tenso na entrada do conversor.

31

3.4.3 Filtro de Sada do Carregador de Baterias

Pode-se observar que na Figura 3.3, atravs da forma de onda de V0, que a ondulao na

tenso de sada foi considerada nula. Na verdade esse fato no ocorre, visto que seria

necessrio um valor de capacitncia infinito na sada do conversor.

Para concluir o equacionamento do conversor necessrio determinar a equao que

define o valor da capacitncia do capacitor de sada. Nesse dimensionamento ser levada em

considerao a ondulao na tenso da sada conforme apresenta a Figura 3.8.

t1 t2t0t

IC0

VC0VCM

VCm

VC0

Figura 3.8 Ondulao de corrente e tenso no capacitor de sada.

A corrente no capacitor apresentada na Equao 9.

00 0

CC

dvI C

dt= (9)

Durante o intervalo em que o interruptor S1 permanece conduzindo (t=t1) o capacitor

alimenta a carga com corrente (I0-ID2). Dessa forma a Equao 9 pode ser reescrita atravs da

Equao 10.

( )0 2 10

0

DC

I I tv

C

= (10)

Realizando as devidas operaes matemticas possvel chegar ao valor da capacitncia

conforme apresenta as Equaes 11 e 12.

32

( )0 2 10

0

D

C

I I tC

v

=

(11)

Ou ainda;

( )0 20

0

D

C CH

I I DC

v F

=

(12)

ID2 a corrente que circula pelo diodo D2 e apresentada na Equao 13.

( )2 12IN

D

II D= (13)

3.5 Dimensionamento e Simulao do Carregador de Baterias

A Tabela 6 apresenta as especificaes necessrias para realizar o projeto do carregador

de baterias. Os parmetros de entrada do conversor foram obtidos do site do fabricante dos

painis solares, Kyocera. [23]

Tabela 6 Especificaes do carregador de baterias.

ESPECIFICAES NECESSRIAS PARA O PROJETO DO CARREGADOR DE BATERIAS

Parmetro Valor VCBIN Tenso de entrada 17,6 V

ICBIN Corrente de entrada 23,32 A

ICBIN Ondulao de corrente na entrada 10% de ICBIN

VCBIN Ondulao de tenso na entrada 0,5% de VCBIN

VCBOUT Tenso de sada 24 V

PCBOUT Potncia na sada 390 W

CB Rendimento do conversor 95%

VCBOUT Ond. de tenso no capacitor de sada 0,1% de VCBOUT

fCB Freqncia de comutao 30 kHz

Para dar incio ao dimensionamento deve-se encontrar o valor do ciclo de trabalho

conforme apresenta a Equao 14.

0,267CBOUT CBIN

CBOUT

V VD

V

= = (14)

Os valores das indutncias dos indutores so dados pela Equao 15.

33

1 2 67,1CBIN

CBIN CB

D VL L H

I f

= = =

(15)

As caractersticas fsicas desses indutores so apresentadas na Tabela 7.

Tabela 7 Caractersticas fsicas do indutor do Carregador de Baterias.

CARACTERSTICAS FSICAS DO INDUTOR DO CARREGADOR DE BATERIAS

Ncleo do Entreferro EE55/28 Thornton

Nmero de espiras 10

Fio utilizado no primrio 25 x 21 AWG

Entreferro 0,3 mm

Densidade de fluxo utilizada 0,3 Tesla

O valor do capacitor de entrada dado pela Equao 16.

6

2

67,1 10 23,32 2,332.360

17,6 0,005INC F

= =

(16)

O valor da corrente que circula pelo diodo D2 dado pela Equao 17.

2 (1 ) 8,552CBIN

D

II D A= = (17)

O valor da capacitncia do capacitor de sada dado pela Equao 18.

0

3908,55 0,267

242851

0,001 24 30000C F

= =

(18)

Os MOSFET's utilizados foram o IRFB3207 da International Rectifier, os quais

possuem resistncia e corrente de conduo respectivamente 3,6 m, 180 A e tenso de

bloqueio de 75 V[24].

Os diodos utilizados foram 30CPQ060 da International Rectifier, diodo Schottky. A

tenso de bloqueio desse diodo de 60 V e a corrente de conduo 30 A [25].

O modelo equivalente do painel fotovoltaico foi o mesmo utilizado em [19].

O circuito utilizado para simulao no ORCAD apresentado na Figura 3.9.

34

Figura 3.9 Circuito de simulao do carregador de baterias.

A seguir so apresentados os principais resultados de simulao do conversor

alimentando um banco de baterias. Esse conversor possui caracterstica de fonte de tenso na

sada. Sabe-se que duas fontes de tenso no podem ser conectadas em paralelo, dessa forma

foi adicionado um resistor entre o conversor e a carga, o qual representa a resistncia do fio

acrescido da resistncia interna da bateria.

A Figura 3.10 a e b apresenta respectivamente a tenso sobre os interruptores S1 e S2

do carregador de baterias.

a) Interruptor S1.

35

b) Interruptor S2

Figura 3.10 Tenso sobre os interruptores S1 e S2.

A Figura 3.11 a e b apresenta respectivamente as formas de onda caracterstica de

tenso e corrente na entrada em conduo e bloqueio do interruptor S1.

a) Entrada em conduo do interruptor S1.

b) Bloqueio do interruptor S1.

Figura 3.11 Entrada em conduo e bloqueio do interruptor S1.

36

A Figura 3.12 a e b apresenta respectivamente as formas de onda caracterstica de

tenso e corrente na entrada em conduo e bloqueio do interruptor S2.

a) Entrada em conduo do interruptor S2.

b) Bloqueio do interruptor S2.

Figura 3.12 Entrada em conduo e bloqueio do interruptor S2.

A Figura 3.13 a e b apresenta respectivamente a corrente nos indutores L1 e L2.

37

a) Corrente no indutor L1.

b) Corrente no indutor L2.

Figura 3.13 Corrente nos indutores L1 e L2.

A Figura 3.14 apresenta a tenso na sada do carregador de baterias. Pode-se observar

que existe uma pequena ondulao nessa tenso a qual mais bem detalhada na Figura 3.15.

38

Figura 3.14 Tenso na sada do conversor elevador.

Figura 3.15 Detalhe da ondulao da tenso na sada do conversor elevador.

3.6 Controle do Carregador de Baterias

O circuito de controle foi implementado utilizando o microcontrolador

ATMEGA32[32]. Este microcontrolador de tecnologia RISC possui conversor AD interno, o

qual foi utilizado para realizar a leitura da tenso da bateria, corrente de carga e tenso no

painel fotovoltaico. Alm dessas funes o microcontrolador tambm gera a razo cclica de

controle dos interruptores e busca o ponto de mxima potncia do painel (MPP - Maximum

Power Point) para qualquer nvel de radiao solar e qualquer valor de tenso na bateria.

39

O banco de baterias ser conectado a sada do conversor, onde a tenso do mesmo pode

ser considerada constante para um pequeno intervalo de tempo, dessa forma podendo-se

encontrar o ponto de mxima potncia atravs da procura da mxima corrente de carga, assim

simplificando o algoritmo de controle [20]. Para realizar a leitura da corrente de carga foi

utilizado um sensor de corrente Alegro ACS752/SCA-050.

No momento em que o circuito de controle ligado, o microcontrolador atravs do

conversor A/D realiza a leitura da tenso da bateria para ter uma estimativa de sua carga. De

acordo com o valor da tenso lida ser determinado a razo cclica inicial do carregador de

baterias. O processo de carga proceder de acordo com a faixa de tenso da bateria conforme

apresentado no fluxograma da Figura 3.16.

Figura 3.16 Fluxograma da rotina de proteo do MPP.

1. 10 V Vbat < 27,6 V - Carregamento no ponto de mxima potncia;

2. Vbat > 27,6 V - O controle desliga o PWM e s retorna a ligar quando a tenso na

bateria for inferior a 26 V.

40

O algoritmo de procura do ponto de mxima potncia semelhante ao utilizado por

[19]. Se as baterias estiverem descarregadas, a transferncia da potncia se faz de maneira

integral atravs da rotina normal do MPPT a qual pode ser vista no fluxograma da Figura

3.17.

Figura 3.17 Fluxograma da rotina padro do MPPT.

3.7 Consideraes Finais

Neste captulo foi estudado o comportamento do carregador de baterias, apresentado

suas formas de onda, princpio de funcionamento, dimensionamento, projeto e controle. A

topologia utilizada foi a boost intercalado.

41

O dimensionamento da topologia proposta foi realizado fazendo uma analogia a dois

conversores boost clssico, operando em paralelo com defasamento de 180 entre o comando

dos interruptores.

Foi inserido um filtro capacitivo a entrada do conversor, o que garante que o painel

sempre opere como fonte de tenso.

Atravs das simulaes realizadas no ORCAD, foi possvel observar que os resultados

foram ao encontro aos valores calculados, assim validando o modelo matemtico do circuito.

42

CAPTULO 4

4 O Conversor Elevador

O presente captulo apresenta o princpio de funcionamento, dimensionamento, projeto

e simulao do conversor elevador de tenso. Este conversor possui a funo de elevar a

tenso contnua do banco de baterias (24 V nominal) para uma tenso tambm contnua

(311 V), com o intuito de alimentar diretamente em corrente contnua, cargas de baixa

potncia que possuam retificador de entrada intrnseco ou tenham caractersticas resistiva.

Uma reviso sobre topologias de conversores CC/CC elevadores apresentada, sendo

escolhida para utilizao neste projeto a topologia do conversor boost de alto ganho com

indutor acoplado. As equaes bsicas e as etapas de funcionamento so fornecidas, bem

como o projeto e simulao de um conversor com potncia de 300 Wp. Por fim, so

apresentados os resultados de simulao.

4.1 Seleo da Topologia do Conversor Elevador

Os conversores CC/CC podem ser divididos em dois grandes grupos: conversores

isolados e conversores no-isolados. Em relao aos conversores isolados para elevao de

tenso, pode-se encontrar na literatura as seguintes topologias bsicas: flyback, forward, push-

pull, half bridge e full bridge [22],[26].

possvel ainda encontrar na literatura vrias topologias bsicas de conversores

elevadores no-isolados: boost clssico, boost modificado, boost de alto ganho, boost em

cascata, boost intercalado, boost intercalado de alto ganho, buck-boost clssico, buck-boost

modificado e buck-boost de alto ganho, cuk, sepic, zeta [21],[22],[26].

43

De acordo com a necessidade do projeto, o conversor elevador a ser projetado dever

possuir tenso de entrada de 24 Vcc e sada de 311 Vcc, apresentando assim um ganho

esttico de 311/24, ou seja, ganho igual a aproximadamente 13. De fato, para esta faixa de

ganho (considerada bastante alta), os conversores clssicos no-isolados no so apropriados,

pois levam a um fator de utilizao muito baixo do interruptor de potncia [27]. Em outras

palavras, para altos ganhos, essas topologias requerem que o interruptor opere ao mesmo

tempo com elevada corrente de entrada e tenso de sada, caracterizando assim uma situao

desfavorvel do ponto de vista prtico.

Por outro lado, as topologias no-isoladas modificadas e de alto ganho, so apropriadas

para operar com altos ganhos, uma vez que utilizam interruptores associados em cascata ou

indutores acoplados o que garante uma melhor utilizao de cada interruptor de potncia [28].

A Figura 4.1 apresenta as topologias no-isoladas de alto ganho e cascata.

a) Boost de alto ganho

b) Buck-Boost de alto ganho

44

c) Boost em cascata

d) Boost intercalado de alto ganho

Figura 4.1 Topologias no isoladas, modificadas e de alto ganho.

Comparando as topologias a, b, c e d, pode-se observar que as topologias c e d utilizam

dois interruptores de potncia enquanto que as topologias a e b apenas um. Dessa forma,

levando em considerao o custo, optou-se por usar uma destas duas ltimas topologias

mencionadas.

A escolha final entre as topologias a e b pode ser baseada na questo da relao entre as

polaridades da tenso de entrada e sada. De fato, pode-se observar que a topologia b produz

uma tenso de sada invertida em relao tenso de entrada, o que dificulta a implementao

prtica dos circuitos de controle. Por este motivo, a topologia selecionada para este projeto a

do conversor Boost de alto ganho (a).

45

4.2 Circuito Bsico do Conversor Elevador

A Figura 4.2 apresenta o circuito bsico de potncia que pode ser utilizado para

implementar na prtica a topologia original apresentada na Figura 4.1 a.

Figura 4.2 Conversor boost de alto ganho com grampeador.

Pode-se observar que a diferena bsica entre os circuitos das Figuras 4.1 a e 4.2

consiste na adio na Figura 4.2 de um circuito snubber regenerativo entre o interruptor e o

indutor L2. Este circuito composto de um diodo e um capacitor, e tem como funo

minimizar sobretenses que possam surgir sobre o interruptor devido ao acoplamento no

ideal entre os indutores L1 e L2.

4.3 Etapas de Funcionamento do Conversor Elevador

Como j foi mencionado, o circuito snubber regenerativo adicionado topologia

original tm a funo prtica de evitar sobretenses sobre o interruptor de potncia. Em uma

primeira anlise, pode-se retornar ao circuito bsico da topologia do conversor boost de alto

ganho. Para a melhor compreenso e organizao do texto, ambos os circuitos completo e

simplificado so mostrados novamente na Figura 4.3, sendo que na Figura 4.3 b so

identificadas as tenses e correntes para referncia posterior.

a) Circuito completo.

46

b) Circuito simplificado.

Figura 4.3 Circuito completo e simplificado do conversor boost de alto ganho.

O princpio de funcionamento do conversor proposto pode ser entendido a partir da sua

diviso em etapas de funcionamento, que composta por duas etapas bsicas, como ilustrado

na Figura 4.4.

Deve-se ainda mencionar que a presente anlise feita considerando-se o modo

contnuo de operao. Neste caso, devido presena de um indutor acoplado, o modo

contnuo de operao caracterizado pela continuidade da energia armazenada no indutor

acoplado. Pelo fato do conversor apresentar elevada relao de transformao, (24 V para 311

V) a impedncia do secundrio ser superior a do primrio, dessa forma provocando variaes

bruscas de corrente no instante em que o interruptor abre e as indutncias so associadas em

srie.

a) Primeira etapa de funcionamento (t0

47

b) Segunda etapa de funcionamento (t1

48

Durante o intervalo em que o interruptor est conduzindo, pode-se observar que a

corrente no indutor L1 cresce de forma linear; comportamento j previsto visto que a tenso

sobre L1 aproximadamente constante e igual tenso de entrada.

Figura 4.5 Principais formas de onda para o circuito bsico do conversor elevador.

O modo contnuo de operao do conversor tambm pode ser observado na forma de

onda da corrente do indutor L1, IL1. Todavia, em contradio ao princpio de funcionamento

do conversor boost clssico, onde as variaes I das correntes nos indutores so iguais para

os intervalos de carga e descarga do indutor de entrada, tem-se que para o conversor proposto

estas variaes no so equivalentes. Este fato ocorre porque o processo de carga feito

49

somente atravs de L1 enquanto que o processo de descarga feito atravs do conjunto L1 e

L2. Pode-se ainda observar que a corrente no indutor L2 igual corrente em L1 durante o

intervalo de descarga (interruptor bloqueado), sendo nula durante o intervalo de carga

(interruptor conduzindo).

Finalmente, o grfico de IC0 mostra que a corrente mdia no capacitor nula, sendo que

o mesmo fornece toda a corrente de carga durante a primeira etapa de operao.

4.5 Equacionamento do Conversor Elevador

O equacionamento do conversor proposto pode ser realizado atravs do modelo

equivalente mostrado na Figura 4.6. Neste modelo, assume-se que um indutor de carga Lm

(Lm = L1) carregado durante a primeira etapa de operao e que o mesmo descarregado

atravs de um transformador ideal, cuja relao de transformao uma funo de L1 e L2.

a) Circuito simplificado.

B) Modelo equivalente (Carga de Lm). c) Modelo equivalente (Descarga de Lm).

Figura 4.6 Etapas de funcionamento do conversor elevador.

4.5.1 Relao de Transformao

Para realizar o equacionamento, prefervel que se defina qual a relao de

transformao k para o modelo equivalente, dada pela Equao 19.

50

1

2

1

21 1N

N

N

NNk +=

+= (19)

Onde:

K Relao de transformao do indutor acoplado;

N1 Nmero de espiras do indutor L1;

N2 Nmero de espiras do indutor L2;

4.5.2 Indutncias do Conversor Elevador

Na verdade, apesar da Equao 19 ser funo dos nmeros de espiras N1 e N2, no

necessrio saber os valores absolutos dos mesmos, uma vez que k contm apenas a

informao sobre a relao N2 / N1. Os valores de L1 e L2 podem ser recuperados a partir

dos parmetros Lm e k do modelo equivalente, utilizando-se as Equaes 20 e 21 b.

mLL =1 (20)

( )( )

== )1( e 2

12

2

21

2

1 kN

N

N

N

L

L (21a)

2212 )1()1( == kLkLL m (21b)

Voltando agora a ateno para as etapas de funcionamento do modelo equivalente

apresentado na Figura 4.6, pode-se observa que o indutor Lm submetido tenso de entrada

VIN (considerada constante) durante o intervalo de carga. Dessa forma, partindo-se da

equao diferencial que rege o comportamento de um indutor ideal, pode-se determinar o

comportamento de ILm neste intervalo, conforme demonstrado na Equao 22a.

51

Lm

tv

dt

tdi

dt

tdiLmtv LmLmLmLm

)()()()( == (22a)

1( ) .Lm inLm

v t Vin cte V tILm

= = = (22b)

A Equao 22 estabelece que a corrente ILm varia de maneira linear no tempo.

Utilizando-se este mesmo raciocnio, pode-se determinar a Equao 23, que fornece ento a

variao de ILm para o intervalo de descarga.

2

( ).o in

Lm

V Vt

kILm

= (23)

De maneira semelhante ao intervalo de carga, a Equao 23 estabelece que a corrente

ILm varia tambm de maneira linear no tempo para o intervalo de descarga. Entretanto, neste

intervalo a variao da corrente negativa.

A partir das concluses obtidas atravs das Equaes 22 e 23 e atribuindo-se nomes

apropriados aos intervalos de tempo e s variaes de corrente, obtm-se o grfico

apresentado na Figura 4.7.

LmI

t

2I

t = D.T1 t = (1-D).T2t T1

1I

Figura 4.7 Forma de onda da corrente ILm do modelo equivalente.

Na Figura 4.7, considerou-se a definio de ciclo de trabalho dada pela Equao 24.

T

t

tt

tD 1

21

1 =+

= (24)

52

Onde:

t1 Tempo de carga (Interruptor conduzindo);

t2 Tempo de descarga (Interruptor bloqueado);

T Perodo de comutao;

D Ciclo de trabalho.

Conforme a Figura 4.7 tem-se que a variao da corrente em Lm durante o intervalo de

carga dever ser igual (em mdulo) a variao da corrente no intervalo de descarga. Dessa

forma, utilizando-se as Equaes 22 e 23, juntamente com as definies estabelecidas na

Figura 4.7, obtm-se a Equao 25.

m

io

m

i

L

TDk

VV

L

TDVII

).1()(

..21

== (25)

A simplificao da Equao 25 ilustrada atravs das Equaes 26 a 29, obtendo-se

assim a Equao 30 que fornece o ganho esttico do conversor proposto.

)1()(

. Dk

VVDV ioi

= (26)

k

DV

k

DVDV ioi

)1()1(.

= (27)

k

DV

k

DDV oi

)1()1( =

+ (28)

)1(

1.

)1(

)1(.

D

DDK

D

k

DDk

V

V

i

o

+

=

+=

(29)

)1(

1)1(

D

kD

V

V

i

o

+

= (30)

Reorganizando a Equao 30, possvel encontrar uma expresso para o valor de k em

funo dos outros parmetros, como mostra a Equao 31.

53

i

io

VD

VVDk

.

)).(1( = (31)

A partir da Equao 25, encontra-se a Equao 32, que permite determinar o valor de

Lm.

1

..

I

VTDL im

= (32)

4.5.3 Filtro Capacitivo do Conversor Elevador

Atravs da Figura 4.5, pode-se encontrar a tenso sobre o capacitor. Sabe-se que durante

o intervalo t = t1, o capacitor C0 alimenta a carga com a corrente igual I0. Dessa forma, a

ondulao da tenso pode ser encontrada atravs das Equaes de 33 a 35 e a capacitncia

(para cargas puramente resistivas) pela Equao 36.

0 0c

C

dvI C

dt= (33)

0 0cvI Ct

=

(34)

00

c M m C

tv Vc Vc I I

C

= = (35)

00

0

D IC

f v

=

(36)

4.6 Dimensionamento e Simulao do Conversor Elevador

Considerando que o conversor elevador ser ligado ao banco de baterias que fornecer

tenso mdia de 24 Vcc. possvel construir a Tabela 8, onde so apresentadas

especificaes necessrias para realizar o projeto do conversor elevador.

54

Tabela 8 Especificaes do conversor elevador.

ESPECIFICAES NECESSRIAS PARA O PROJETO DO CONVERSOR ELEVADOR

Parmetro Valor VCEIN Tenso de entrada 24 V

VCEOUT Tenso de sada 311 V

PCEOUT Potncia de Sada 300 W

CE Rendimento do conversor 95%

ICEIN Corrente de entrada 13,16 A

VCEOUT Ondulao de tenso no capacitor de sada 0,5% de VCEOUT

INCE Ondulao de corrente na entrada 20% de ICEIN

fCE Freqncia de comutao 30 kHz

VCEIN Ondulao de tenso na entrada 0,2% de VCEIN

DCE Razo Cclica 46%

Para dar incio ao dimensionamento deve-se encontrar o valor da relao de

transformao usando a Equao 37.

(1 ).( )13,9

.o i

i

D V Vk

DV

= = (37)

O valor da indutncia

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