CONVERSOR CC-CA NÃO ISOLADO COM ALTO GANHO DE TENSÃO PARA APLICAÇÃO EM SISTEMAS AUTÔNOMOS DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 CONVERSOR CC-CA NÃO ISOLADO COM ALTO GANHO DE TENSÃO PARA APLICAÇÃO EM SISTEMAS AUTÔNOMOS DE ENERGIA ELÉTRICA GEORGE CAJAZEIRAS SILVEIRA¹ RENÉ P. TORRICO-BASCOPɲ MANUEL RANGEL BORGES NETO 3 ¹ Professor Esp. do Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará Mestrando do Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará-PPGEE-UFC. ² Professor Dr. do Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará-PPGEE-UFC. 3 Professor Msc. do Centro Federal de Educação Tecnológica de Petrolina. CEFET-PET. FORTALEZA CEARÁ setembro 2008

2 Introdução Devido à problemática do fornecimento de energia elétrica no meio rural, mais acentuada na região norte e nordeste, tem-se implantado programas visando mitigar esta exclusão elétrica. Na área rural os consumidores estão distantes e isolados, tornando o custo de extensão da rede elétrica convencional proibitivo, além de serem de baixo consumo. Essa constatação abre um importante espaço para a introdução de sistemas autônomos. Das tecnologias já consolidadas em sua utilização no Brasil, temos os painéis fotovoltaicos, as pequenas centrais hidrelétricas, a geração através da biomassa e a energia eólica. [Luz Cortez] Os sistemas autônomos possuem tensões de entrada de baixo valor, havendo a necessidade de conversores capazes de elevar esta tensão, típicas entre 12V e 48V, para barramentos de alta tensão, os quais possuem tensões típicas entre 300V e 400V, para alimentação de um inversor.

3 Introdução Os conversores elevadores de tensão utilizados nestes sistemas devem ter alto ganho de tensão e alta eficiência. Devido à alta intensidade de corrente de entrada e o elevado valor de tensão de saída requerida, são necessários dispositivos com tensão e resistência de condução (RDS(on)) muito baixas para proporcionarem a redução das perdas por condução. Há, ainda, o problema de recuperação reversa do diodo boost, pois a alta tensão de saída exige elevada razão cíclica, obrigando-o a conduzir por pequenos períodos com elevado valor de corrente. Se o valor de resistência de condução (RDS(on)) e o problema de recuperação reversa do diodo boost não for minimizado, a eficiência do conversor será comprometida, limitando a potência de saída.

4 Introdução Um conversor boost clássico não é apropriado, haja vista este ter um péssimo aproveitamento da chave controlada, a razão cíclica seria próxima de um, o que dificultaria a implementação prática. As vantagens são que tem: reduzido número de componentes e característica de corrente contínua na fonte de entrada. Para superar as desvantagens, algumas soluções usando diversas topologias de conversores boost com alto ganho de tensão são propostas na literatura técnica. Utilizando técnicas de associação de chaves em série ou associação de conversores em série, consegue-se gerar novas topologias conhecidas na literatura como conversores estáticos multiníveis em tensão [GROVER:9, 10].

5 Introdução Outra alternativa poderia ser o emprego de conversor boost em cascata, onde tensões intermediárias são estabelecidas entre os estágios, porém aumentaria a complexidade do circuito e a eficiência seria comprometida devido à quantidade de estágios. Conversores com indutores acoplados podem obter altos ganhos de tensão, mas uma das grandes desvantagens é a forma de onda da corrente de entrada que tem dois níveis, que obriga o emprego de um filtro de entrada.

6 Introdução Em [Zhao, 2001] é apresentada uma família de conversores CC-CC de alto ganho de tensão com indutor acoplado e modo grampeado, mostrado na Fig. 1. Vantagens: possuem alto ganho de tensão, sem exigir uma razão cíclica extrema; permitem a reutilização da energia de dispersão e esforço de tensão sobre a chave reduzido. Desvantagens: possuem corrente através do lado primário do indutor acoplado pulsante e alta corrente através dos capacitores de grampeamento. Fig. 1 conversor Boost com indutores acoplados

7 Introdução Um conversor boost com dois indutores com transformador auxiliar não isolado é apresentado em [Jang, 2004]. Ele opera como um conversor boost intercalado. Esta topologia emprega um transformador auxiliar com razão cíclica unitária para unir os caminhos das correntes dos dois indutores, de forma que ambos indutores conduzem correntes idênticas. A Fig. 2 mostra estrutura deste conversor. Vantagens: corrente de entrada drenada da fonte de alimentação não é pulsante e tem baixa ondulação e o máximo esforço de tensão sobre as chaves é a metade da tensão de saída. Desvantagens: necessidade de adotar isolação da tensão de saída de amostra ou utilização de circuitos de comando isolados para as chaves e um ruído modo comum, relativamente alto. Fig. 2 conversor boost sem referência comum entre a alimentação e a carga

8 Introdução Existem, ainda, outros conversores, como: Conversor não isolado baseado no conversor boost intercalado, integrado com capacitores multiplicadores em série. [Gules, 2004] Em [Tseng, 2005],[Wai, 2005] e [Baek, 2005] são propostos vários conversores com alto ganho estático, todos baseados no boost-flyback. Em [Axelrod, 2003] e [Abutbul, 2003] são usadas técnicas de capacitor chaveado para elevar a tensão de entrada até o nível de tensão requerido.

9 Sistema Proposto Um conversor CC-CA não isolado com alto ganho de tensão com dois valores de tensões senoidais de saída - 110V e 220V - e freqüência 60Hz para aplicação em sistemas autônomos de energia elétrica é proposto neste trabalho. A Fig. 3 mostra o circuito proposto. Esta topologia consiste em um conversor boost de alto ganho de tensão, baseado em célula de comutação de três estados, combinado com um inversor duplo meia ponte.

10 Sistema Proposto Os conversores que compõem esta topologia operam com alta freqüência, diminuindo o volume dos materiais magnéticos. Podem ser citas como características importantes: Tensões de bloqueio sobre as chaves do conversor boost são baixas, haja vista serem naturalmente grampeadas pelo capacitor de filtro, a qual permite a utilização de chaves com baixa resistência de condução, e a forma de onda da tensão de saída do inversor duplo meia ponte fornecida para a carga é senoidal e possui baixo conteúdo harmônico.

11 Etapas de Operação Conversor CC-CC O conversor é composto por uma fonte de tensão Vi, um indutor L1 armazenador, transformador controlado pelas chaves S1 e S2, diodos retificadores D1, D2, D3, D4, D5 e D6, capacitores de filtro C1, C2, C3, C4 e C5 e uma carga R. O conversor apresenta quatro etapas de operação durante um período de comutação, descritos a seguir: 1ª etapa: As chaves S1 e S2 estão em condução. A energia é armazenada no indutor L1, não sendo transferida para carga. O intervalo é finalizado quando a chave S1 é aberta. O circuito desta etapa é mostrado na Fig. 4. A equação diferencial durante este intervalo é determinada por: dil1 L1 Vbat = 0. dt Fig. 4 1ª etapa de funcionamento do conversor

12 Etapas de Operação Conversor CC-CC 2ª etapa: Neste estado a chave S2 permanece ligada. As tensões sobre a chave S1 e o capacitor de filtro C1 são iguais. Os diodos D2, D3 e D5 são diretamente polarizados. A energia armazenada no indutor L1 durante a primeira etapa e a energia da fonte de tensão são transferidas para os capacitores de filtro C1, C2 e C4. O circuito resultante desta etapa é representado na Fig.5. A equação diferencial que representa esta etapa é igual a: dil1 Vbat L1 + Vbat = 0. dt 21 ( D) Fig. 5 2ª etapa de funcionamento do conversor

13 Etapas de Operação Conversor CC-CC 3ª etapa: Esta etapa é igual à primeira etapa. As chaves S1 e S2 permanecem ligadas e a energia é armazenada somente no indutor L1. Esta etapa finaliza quando a chave S2 é aberta. O circuito que representa esta etapa é mostrado na Fig. 6. Fig. 6 3ª etapa de funcionamento do conversor

14 Etapas de Operação Conversor CC-CC 4ª etapa: Durante esta etapa, a chave S1 permanece ligada. As tensões sobre a chave S2 e o capacitor C1 são iguais. Os diodos D1, D4 e D6 são diretamente polarizados. A energia armazenada no indutor L1 durante a terceira etapa e a energia da fonte de tensão são transferidas para os capacitores de filtro C1, C3 e C5. Esta etapa é representa pelo circuito da Fig. 7. Fig. 7 4ª etapa de funcionamento do conversor

15 Resultados de Simulação Especificações do Projeto: Vi = 42Vcc a 48Vcc P = 1kW fc = 25kHz freqüência de chaveamento de ambos os conversores

16 Resultados de Simulação Formas de onda A Fig. 8 mostra as tensões nas chaves S1 e S2 e no barramento CC e a corrente no indutor IL1. Observa-se que as tensões sobre as chaves são grampeadas pelo capacitor C1, que a tensão no barramento CC é a esperada, 400V. E a corrente no indutor não é pulsante. Fig. 8 Tensões nas chaves, no barramento CC e corrente no indutor IL1

17 Resultados de Simulação Formas de onda A Fig. 9 mostra as tensões de entrada e saída do inversor. Observa-se que com uma tensão de entrada de 400V obtém-se na saída do inversor tensões alternadas de 110V e 220V com uma freqüência de 60Hz. Fig. 9 Tensões de entrada e saída do inversor

18 Conclusão Este circuito é recomendado para aplicações onde se deseja elevar tensões baixas, proveniente, por exemplo, de um banco de baterias usado em sistemas autônomos, a altos valores, para servir o barramento CC de um inversor, que deve ser, aproximadamente, 400V, mantendo alta eficiência na conversão de energia. Outra característica analisada na simulação do circuito: baixa tensão sobre as chaves comparada a outros conversores estudados.

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