INVERSOR BUCK-BOOST APLICADO À FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 INVERSOR BUCK-BOOST APLICADO À FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA Lucas S. Garcia, Luiz C. G. Freitas, Luiz C. de Freitas, Henrique J. Avelar, João Batista V. Junior, Ernane A. A. Coelho, Valdeir J. Farias Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Av. João Naves de Ávila, Bloco 3N - Campus Santa Mônica CEP: Uberlândia, MG, Brasil lcgfreitas@yahoo.com.br, lucas.sg@hotmail.com Resumo- A utilização de fontes alternativas de energia tem atraído grande interesse devido a sérias questões ambientais e, consequentemente, o desenvolvimento de conversores eletrônicos capazes de transformar essas fontes de energia em uma forma convencional para utilização se tornou o principal desafio encarado por diversos pesquisadores que atuam nesta área do conhecimento. Neste contexto, este artigo se concentra na apresentação de uma nova estratégia de controle aplicada a um conversor CC-CA abaixador/elevador alimentado por uma célula a combustível que opera com corrente de entrada e tensão de saída totalmente controladas. A estratégia de controle proposta promove elevado ganho de tensão sem a utilização de um estágio pré-regulador e/ou transformador de alta frequência, contribuindo com a redução do peso e tamanho do conversor CC-CA analisado. O desenvolvimento teórico e análise realizada são apresentadas e comprovadas pelos resultados experimentais obtidos da construção em laboratório de um protótipo de 180W. Palavras-Chave- Conversores CC-CA, Inversores de Fonte de Corrente, Fontes Alternativas de Energia, Célula a Combustível, Inversor Buck-Boost. BUCK-BOOST INVERTER APPLIED TO ALTERNATIVE ENERGY SOURCES Abstract- Alternative energy sources has been attracting great interest due to well known environment issues and, hence, the development of power electronics converters to deal with the transformation of these sources into conventional energy forms has been the main challenge faced by many researches working in this area of expertise. Within this subject, this paper focuses the establishment of a new control strategy applied to a stepdown/step-up fuel cell inverter with imposed waveforms of CSI inductor current and output voltage. The proposed control strategy provides high voltage gain without using high frequency transformer, which contributes to weigh and size reduction of the proposed DC-AC converter structure. Theoretical analysis are presented and corroborated by experimental results of a 180W laboratory prototype. Keywords- DC-AC Converters, Current Source Inverters, Alternative Energy Sources, Fuel Cell, Buck-Boost Inverter. I. INTRODUÇÃO Atualmente as fontes alternativas de energia são vistas como um assunto de extrema importância em diversos países. Isto se deve ao fato de que as emissões de CO 2 na atmosfera estão atingindo níveis alarmantes contribuindo, portanto, com o aquecimento global [1] [2] [3]. Políticas de desenvolvimento sustentável estão sendo colocadas em prática, nas quais a utilização dessas fontes alternativas encontra a maior taxa de crescimento em relação as não renováveis como o carvão, petróleo e outras. Juntamente com o crescimento deste tipo de energia está o aumento das aplicações envolvendo a eletrônica de potência [4]. Devido à alta taxa de crescimento de investimentos voltados para o desenvolvimento e utilização de fontes alternativas de energia, a eletrônica de potência encontra amplo mercado de atuação como, por exemplo, no desenvolvimento de conversores estáticos empregados em sistemas de geração de energia que utilizam painéis fotovoltaicos para captar a energia solar e condicioná-la em energia elétrica adequada [5]. Cabe ressaltar que, independentemente do tipo de fonte de energia alternativa utilizada (célula a combustível, painel fotovoltaico, energia eólica, etc.), o emprego de conversores estáticos, dependendo da aplicação, é indispensável para que se torne possível a utilização destes recursos. As células a combustível, em geral, produzem tensão de saída constante a partir de um gás em conjunto com o ar que flui através de eletrodos [6]. Para que esta tensão gerada possa ser utilizada, por consumidores residências/industriais, há de se ter um dispositivo de conversão para que a mesma se dê na forma alternada com baixa distorção harmônica. Desta forma, o estudo de conversores estáticos, para aplicação em sistemas cuja fonte primária de energia é alternativa, é dividido em duas classes: conectados à rede (Grid-Connected) e sistemas isolados (Stand-Alone). As estruturas conectadas à rede têm a função de gerar energia a partir das fontes alternativas disponíveis e transmiti-las para as centrais de distribuição, o que requer que as linhas de transmissão das centrais geradoras estejam acessíveis. As topologias que alimentam cargas isoladas são desenvolvidas

2 para aplicação em zonas remotas, em áreas onde não se encontra presente uma rede de distribuição. Tipicamente estas estruturas, como as conectadas à rede, obtêm energia primária a partir de energia alternativa [7]. A Fig. 1 apresenta um diagrama de blocos esquemático simplificado que ilustra a configuração comumente utilizada para sistemas baseados em fontes alternativas de energia. Nesta figura, são apresentados dois exemplos de sistemas típicos nomeados A e B. Observa-se nos dois modelos a presença de um estágio intermediário dedicado a elevação do nível de tensão proveniente da fonte alternativa de energia. Neste contexto, diversos trabalhos têm sido apresentados ficando evidenciado que os conversores estáticos desenvolvidos apresentam, em sua maioria, um estágio Boost bem definido na estrutura de potência ou um transformador de baixa ou alta frequência cujo objetivo é obter uma tensão de saída amplificada para conexão do inversor [8], [9], [10], [11], [12], [13]. Diante do exposto, este trabalho tem como principal objetivo contribuir com o desenvolvimento de um inversor de único estágio alimentado por uma célula a combustível. O conversor proposto tem características tais como: - tamanho e peso reduzidos - elevado ganho de tensão - imposição de corrente - imposição de tensão - único estágio A estrutura de potência analisada é composta de um conversor Buck - Boost acoplado a um CSI (Current Source Inverter), e foi direcionado para aplicação em sistemas isolados. Vale ressaltar que não há restrições para aplicação em sistemas conectados à rede. A principal característica observada na estrutura proposta é a capacidade de amplificação de tensão (48Vcc para 110Vca) sem a presença de um estágio pré-regulador e sem a presença de um transformador. O elevado ganho de tensão é possível graças à imposição de corrente no estágio de entrada do inversor fonte de corrente por meio de sinal de referência gerado pelo próprio conversor. A utilização de uma estrutura CSI decorre da possibilidade de se conseguir variações instantâneas de tensão de saída em função apenas da energia armazenada no indutor de entrada. Além disso, a estrutura CSI apresenta algumas vantagens tais como, a geração de tensão senoidal de baixa taxa de distorção harmônica, o que viabiliza sua conexão com a rede [12], [13]. II. PRINCÍPIO OPERAÇÃO A. Estrutura de Potência A estrutura de potência consiste basicamente de três estágios bem definidos e apresentados na Fig. 2. A topologia é baseada em uma estrutura já conhecida e apresentada na literatura [14], [15], [16]. Em [15] uma interessante estratégia de controle é apresentada controlando a corrente do conversor Buck. Um sinal de erro, gerado a partir da comparação entre o sinal de tensão de referência e o sinal de tensão de saída realimentado do inversor, impõe uma razão cíclica ao interruptor do conversor Buck, e o inversor opera apenas invertendo a tensão de saída em baixa frequência. Em [16] os autores apresentam um conversor CC-CA conectado a rede com controle por imposição de corrente no estágio de entrada, seguindo o sinal de referência desejado de acordo com as possíveis configurações, Buck, Boost e Buck-Boost. A tensão de saída é controlada por controle PWM. Neste contexto, o presente trabalho apresenta como principal vantagem a baixa distorção harmônica de tensão (DHT V ). Além do total controle da corrente de entrada, a estratégia de controle desenvolvida propicia o controle da tensão de saída. Com imposição de forma de onda senoidal consegue-se menor DHT V, entretanto, dependendo da aplicação, pode-se optar por imposição de forma de onda quadrada aumentando a eficiência da estrutura em detrimento do DHT V, tornando a estrutura de potência analisada bastante flexível do ponto de vista operacional. O princípio de operação do conversor proposto baseia-se na imposição de duas variáveis: corrente no indutor L de entrada e tensão no capacitor C de saída. Estas grandezas são controladas seguindo sinais de referências impostas sendo que a forma de onda da corrente I L (corrente no indutor) segue o sinal de referência I REF, e a tensão V o sobre o capacitor C (tensão de saída) segue o sinal de referência V REF, assumindo, desta forma, as formas de onda desejadas. Para a imposição da corrente I L, o conversor opera de acordo com a configuração Buck + Boost, em destaque na Fig. 3, e cujo princípio de funcionamento é detalhado na seção B.1 Controle de Corrente. A tensão de saída é controlada pelo inversor e sua técnica de controle é detalhada na seção B.2 Controle de Ciclo e B.3 Controle de Tensão. Para que este conversor opere conforme desejado; i.e. corrente de entrada controlada e tensão de saída controlada e amplificada, o inversor fonte de corrente deve ser capaz de prover variações abruptas de tensão, atendendo, portanto, diferentes solicitações de potência. Para tanto, é necessário que haja controle no armazenamento de energia no indutor L de entrada, o que é feito por meio do controle da corrente I L. Fig. 1. Diagrama de blocos esquemático de sistemas de conversão de estática de energia.

3 Fig. 2. Estrutura de potência com destaque para os modos de operação. B. Estratégia de Controle O diagrama esquemático da estrutura de potência e o circuito de controle são mostrados na Fig. 3. O código de controle desenvolvido consiste basicamente de três subrotinas descritas detalhadamente a seguir, são elas: (1) Controle de Corrente, (2) Controle de Ciclo e (3) Controle de Tensão. corrente de efeito Hall. O resultado da comparação é a mudança de estado de outra variável de controle, denominada de I. Se I REF > I L, a variável de controle I apresenta o nível lógico alto, o que faz entrar em operação a configuração Boost. Nesta etapa os interruptores S P, S 2 e S 4 são acionados de maneira que a corrente I L cresce linearmente devido à ação da fonte de tensão de entrada, conforme mostra a Fig. 5. Se I REF < I L, o interruptor S P é desativado fazendo com que a configuração Buck entre em operação, conforme ilustrado nas Figuras 6 e 7. É importante ressaltar que a retirada da configuração Boost deve desativar os interruptores S 2 e S 4, porém, estes recebem pulsos de controle do controle de tensão e do controle de ciclo. Portanto, observa-se que, pela lógica de controle ilustrada na Fig. 3, o estado destes interruptores depende do estado das demais variáveis de controle. Embora haja o acionamento do interruptor S 4, este não é submetido à circulação de corrente. Tendo em vista que a polaridade da tensão sobre o capacitor é a mesma de V o, o interruptor S 2 oferece o caminho de menor impedância para a corrente do indutor L. Nesta etapa a corrente que mantém a carga é proveniente do capacitor C, mostrado na Fig. 4. Para o semiciclo negativo a etapa Boost ocorre de maneira análoga sendo feita através dos interruptores S P, S 3 e S 4. Nota-se que S 1 está ativado durante o semiciclo positivo da tensão de saída e S 3 no semiciclo negativo. Conforme lógica de controle ilustrado na Fig. 3, é possível observar que o acionamento do interruptor S 1 se deve a ação do sinal de controle CYCLE+. Analogamente, o acionamento de S 3 se deve a ação do sinal de controle CYCLE-. Fig. 3. Diagrama esquemático da estratégia de controle e estrutura de potência. Controle de Corrente Este controle é responsável pela imposição da forma de onda de corrente desejada sobre o indutor L, fonte de corrente. Esta corrente é imposta a partir do sinal I REF, gerado pelo microcontrolador. As etapas de operação, para um semiciclo, do conversor proposto, referentes ao modo de operação com controle da corrente I L, são ilustradas na Fig. 4. Cabe ressaltar que a estratégia de controle desenvolvida se baseia na imposição de uma corrente senoidal retificada no indutor L. Para este fim, o sinal de corrente de referência (I REF ) é comparado com a amostra do sinal de corrente I L, adquirida por um sensor de Fig. 4. Etapa Boost de corrente no semiciclo positivo da tensão de saída. Fig. 5. Estratégia de imposição de corrente no indutor L.

4 Controle de Ciclo Este controle tem o objetivo de proteger os interruptores do inversor devido à característica do CSI. Por se tratar de um circuito alimentado por uma fonte de corrente, uma abertura do mesmo gera uma sobretensão, podendo danificar as chaves de comutação. Diante do exposto, a estratégia de controle consiste em proteger as chaves de comutação. O sinal de referência V REF é comparado com nível zero de tensão gerando dois pulsos separados chamados de Cycle+ e Cycle-. Cycle+ é mantido em nível alto de tensão para todo o semiciclo positivo, ativando os interruptores S 1 e S 4. Cycle- é mantido em nível alto de tensão para todo o semiciclo negativo ativando os interruptores S 3 e S 2. Controle de Tensão Este controle é responsável por impor a tensão de saída, gerada a partir do sinal de referência V REF. Analogamente à imposição de corrente, a tensão de saída se orienta baseada na comparação entre os sinais V REF e V o, que é amostrada por meio de um sensor de tensão de efeito Hall. Duas variáveis de controle são obtidas a partir do resultado desta comparação, V+ e V-. O sinal V+, quando colocado em nível alto de tensão, indica que a tensão amostrada, V o, é menor que o sinal de referência V REF. O sinal V- representa o complemento de V+, sendo que quando se encontra em nível alto de tensão indica que a tensão de realimentação está acima do sinal de referência (V o > V REF ). Quando o sinal V+ se encontra em nível alto os interruptores S 1 e S 4 são acionados e quando V- se encontra em nível alto ocorre o acionamento das chaves S 2 e S 3. Para uma melhor compreensão desta estratégia de controle, as Figuras 6 e 7 mostram as etapas de operação para o semiciclo positivo, podendo ser observado o caminho das correntes. A Fig. 6 mostra o conversor operando no semiciclo positivo; nesta condição V o é maior que V REF colocando o sinal V- em nível alto e provocando acionamento dos interruptores S 3 e S 2. Nesta operação, devido à polaridade da tensão do capacitor, a corrente do indutor encontra um caminho de menor impedância através do capacitor resultando na redução da tensão de saída. Esta condição insere um comportamento esperado ao conversor, que é a elevação de corrente do indutor. Para decrescer a tensão do capacitor a corrente do indutor se soma com a corrente do capacitor levando ao aumento da mesma. É importante destacar que isto não resulta na ineficiência do conversor, pois neste momento o interruptor S p encontra-se desativado pela ação do controle de corrente. Desta forma a energia não é consumida da fonte de entrada. Fig. 6. Operação de redução de tensão de saída quando no semiciclo positivo. (V- = 1 e CYCLE+ = 1). A Fig. 7 mostra o conversor operando no semiciclo positivo, nesta condição V o é menor que V REF colocando V+ em nível alto de tensão ocasionando o acionamento dos interruptores S 1 e S 4. Esta operação é redundante, visto que os interruptores já estão sendo acionadas pelo Controle de Ciclo. Como o sinal V- é complementar a V+, os interruptores S 3 e S 2 não são acionados. O resultado desta operação é apenas a elevação da tensão de saída. Fig. 7. Operação no semiciclo positivo quando há o comando de elevação de tensão. (V+ = 1 e CYCLE+ = 1). Módulo Microcontrolado Este módulo é responsável pela geração dos sinais de referência V REF e I REF com sincronia, definindo um sistema de controle híbrido. A utilização de um microcontrolador também possibilita mudanças de funcionamento, quando no modo stand-alone, sendo passível à operação tanto para fornecer corrente alternada quanto contínua, dependendo da aplicação. Desta forma, com o aumento do rendimento da estrutura, a fonte alternativa de energia elétrica terá um uso mais racional. O uso do microcontrolador também possibilita que, através de uma futura realimentação da corrente de carga, um correto controle da imposição da corrente I L seja feito, quando o conversor opera alimentando uma carga indutiva. Outra possível sofisticação seria o controle de amplitude de I REF para variações de carga, onde a tensão de saída poderia sofrer alterações em sua amplitude. A geração dos dois sinais é composta por dados gerados pelo microcontrolador, representando uma seqüência de pontos de uma tabela. Estes dados são enviados serialmente

5 por intermédio de interface SPI(Serial Peripheral Interface) para um conversor D/A de múltiplos canais, porém, fazendo uso de apenas dois (V REF e I REF ). III. EXEMPLO DE PROJETO O exemplo de projeto refere-se ao indutor L que é tido como fonte de corrente a este tipo de inversor. Este cálculo é baseado em [14] por sua semelhança estrutural e por apresentar um resultado satisfatório. V IN = 48V F = 20 khz I L = 3A TENSÃO DE ENTRADA FREQUÊNCIA DE CHAVEAMENTO ONDULAÇÃO DA CORRENTE I L reduzido do indutor. O valor médio da corrente injetada pela fonte é reduzido uma vez que, as variações são maiores, chegando a zero em alguns momentos. É possível observar o fenômeno descrito na seção B.3 em que há o crescimento da corrente no indutor por ação do controle de tensão. A Fig. 10 mostra a tensão e corrente de entrada adquirida diretamente da saída da célula a combustível. Observa-se que a corrente não se encontra na forma pulsada e descreve um comportamento senoidal retificado devido ao tipo de imposição ao indutor L. A Fig. 11 mostra a tensão e corrente de saída com o controle de tensão atuando, fazendo com que uma tensão senoidal seja gerada. Nesta condição, DHT V e o rendimento obtidos foram de 3.29% e 78%, respectivamente. Para este tipo de aplicação a qualidade da tensão de saída se encontra de acordo com as recomendações previstas pelo IEEE 519 [17], que limita a taxa de distorção harmônica total, da máxima corrente de carga demandada, em 5%. IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Um protótipo de 180W do conversor CC-CA abaixador/elevador desenvolvido foi construído e analisado experimentalmente em laboratório no intuito de comprovar a eficácia da estratégia e sua aplicabilidade quando alimentado por uma célula a combustível. As especificações de projeto e os dados do protótipo construído são apresentados na Tabela I. TABELA I ESPECIFICAÇÕES DO PROTÓTIPO V IN = 48V DC V O = 127V AC RMS P O = 180W INVERSOR DE ÚNICO ESTÁGIO INDUTOR L = 300µH CAPACITOR C = 10µF +-10%, 650 VAC, HZ INTERRUPTORES (MOSFET), S P S 4: IRFP4668PBF DIODOS, D 1 D 5:STTH200L04TV MICROCONTROLADOR: ATMEGA32 CONVERSOR D/A: MAX 509 COMPARADORES ANALÓGICOS: LM318, LM311 Para que a ligação da célula a combustível seja de forma adequada, esta não pode ser submetida a variações bruscas de corrente, de forma a colaborar com sua vida útil e correta operação. Portanto, devido às características do conversor, que impõe em sua entrada pulsos de corrente em decorrência da estrutura Buck, um banco de capacitores necessitou ser instalado na saída da célula. Desta forma tem-se um formato de corrente aceitável, dado que o capacitor é responsável pelo suprimento dos pulsos de corrente. A Fig. 8 apresenta uma foto do protótipo alimentado pela célula a combustível. A esquerda nota-se a presença da fonte e seu cilindro de combustível. Sobre a mesa observa-se o conversor alimentando uma carga resistiva, dada por um reostato, juntamente com os instrumentos de análise. A Fig. 9 mostra a corrente imposta no indutor L. Nota-se um elevado ripple de corrente. Isto se deve ao tamanho Fig. 8. Foto do Protótipo alimentado por uma célula a combustível. Fig. 9. Corrente I L.

6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPQ e FAPEMIG pelo apoio financeiro a este projeto. REFERÊNCIAS Fig. 10. Tensão e corrente da célula a combustível juntamente com a tensão de saída. Fig. 11. Tensão e corrente de saída. V. CONCLUSÕES Um conversor CC CA elevador/abaixador, com corrente de entrada e tensão de saída totalmente controladas alimentando por uma célula a combustível, foi apresentado neste trabalho. Um elevado ganho de tensão foi conseguido sem a utilização de um estágio pré-regulador ou um transformador, obtendo-se um reduzido DHTv. Foram apresentados resultados experimentais, obtidos a partir de análise de um protótipo de 180W originalmente concebido para atender cargas isoladas. A utilização de um microcontrolador para este conversor provê uma grande gama de aplicações, uma vez que os sinais de referência podem ser alternados diante de um comando de controle. Devido ao baixo nível de processamento, o microcontrolador utilizado é de baixo custo. O conversor proposto demonstrou ser capaz de gerar tensão senoidal com reduzida taxa de distorção harmônica. Há de se fazer uma análise sobre o tipo de aplicação em decorrência da relação entre qualidade e eficiência. Os resultados experimentais demonstram seu alto potencial para aplicações em sistemas isolados. [1] International Energy Agency, "Global Energy Demand," IEA, Paris, Fact Sheet [2] International Energy Agency, "CO2 Emissions," IEA, Paris, Fact Sheet [3] International Energy Agency, "World Energy Outlook Methodology and Assumptions," IEA, Paris, [4] REN21, "Renewables Global Status Report," REN21, Paris, Report [5] P.K. Steimer, "Power electronics, a key technology for future more electrical systems," Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE IEEE, pp , Sept [6] R. Gopinath et al., "Development of a low cost fuel cell inverter system with DSP control," Power Electronics, IEEE Transactions, vol. 19, no. 5, pp , Setembro [7] P. Balachandra, N. H. Ravindranath Deepak Paramashivan Kaundinya, "Grid-connected versus stand-alone energy systems for decentralized power A review of literature," Renewable and Sustainable Energy Reviews, pp , [8] R.O. Caceres and I. Barbi, "A boost DC-AC converter: analysis, design, and experimentation," Power Electronics, IEEE Transactions, vol. 14, no. 1, pp , Jan [9] S. Jalbrzykowski and T. Citko, "Current-Fed Re-sonant Full-Bridge Boost DC/AC/DC Converter," Industrial Electronics, IEEE Transactions, vol. 55, no. 3, pp , [10] I. Boonyaroonate and S. Mori, "A compact DC/AC inverter for automotive application," in Circuits and Systems, ISCAS IEEE International Symposium, vol. 5, 2002, pp [11] B. Kalaivani, V. Kumar Chinnaiyan, and J. Jerome, "A novel control strategy for the boost DC - AC inverter," in Power Electronics, IICPE India International Conference, 2006, pp [12] F. Gao, C. Liang, P.C. Loh, and F. Blaabjerg, "Diode-Assisted Buck- Boost Current Source In-verters," in Power Electronics and Drive Systems, PEDS '07. 7th International Conference, 2007, pp [13] Feel-Soon Kang, Cheul-U Kim, Sung-Jun Park, and Han-Woong Park, "Interface circuit for photo-voltaic system based on buck-boost current-source PWM inverter," in IECON 02. Industrial Electronics Society, IEEE th Annual Conference., 2002, pp [14] D. Cruz Martins, R. Demonti, and I. Barbi, "Usage of the solar energy from the photovoltaic panels for the generation of electrical energy," in Tele-communications Energy Conference, INTELEC '99. The 21st International, [15] Zaohong Yang and P.C. Sen, "A novel switch-mode DC-to-AC inverter with nonlinear robust control," Industrial Electronics, IEEE Transactions, vol. 45, no. 4, pp , [16] B.S. Prasad, S. Jain, and V. Agarwal, "Universal Single-Stage Grid- Connected Inverter," Energy Conversion, IEEE Transactions, vol. 23, no. 1, pp , [17] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems," IEEE Std , pp.0_1, 1993.