Sistema de Conversão de Energia Solar Fotovoltaica

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Sistema de Conversão de Energia Solar Fotovoltaica André Nelson Matias e Silva Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Automação Orientador: Professor Dr. Armando Luís Sousa Araújo 24 de Julho de 2008

2 André Silva, 2008

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5 Resumo O aumento da procura dos sistemas fotovoltaicos para produção de energia eléctrica tem originado um constante desenvolvimento na busca de sistemas mais compactos, eficientes e económicos. Esse desenvolvimento tem-se tornado mais rápido e simples, com a utilização de programas de simulação, sendo que, para o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos é necessário o acesso a modelos de simulação de painéis. Assim, nesta tese, serão apresentados dois modelos de simulação de painéis, com aplicação em PSIM e Matlab, para uso num novo sistema de conversão de energia fotovoltaica com ligação directa à rede de energia doméstica a 230V, 50 Hz. Os sistemas de conversão de energia fotovoltaica single-stage são um esquema atractivo para se obter as características pretendidas, pelo que o novo conversor foi desenvolvido com o objectivo de ser aplicado a este tipo de sistemas. Ut ilizando a ferramenta de simulação PSIM o seu funcionamento é analisado para comprovar que é capaz de transferir a energia produzida por painéis fotovoltaicos para a rede, utilizando apenas um andar de conversão. i

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7 Abstract The increase demand of photovoltaic systems for the production of electric power has created a constant development to search more compact, efficient and economical systems. The development of new systems has become faster and easier, with the utilization of simulation software. For the correct development of photovoltaic systems using this type of tools, it is necessary the development of a simulation block. In this thesis will be present two simulation panel models with application in PSIM and Matlab, to use on a new photovoltaic converter system with direct connection to grid. Single-stage grid-connected photovoltaic systems are an attractive scheme to obtain the desired characteristics of a photovoltaic system. It will be presented a new developed converter to be applied to this type of systems. Using the simulation tool PSIM, it will be reviewed its operation, to prove that he is capable of transferring the produced photovoltaic energy to the grid, using only one stage of conversion. iii

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9 Agradecimentos Gostaria de agradecer ao Professor Dr. Armando Luís Sousa Araújo pela paciência demonstrada ao longo do projecto, principalmente na recta final. Queria também agradecer à minha família e aos meus colegas de curso cujo apoio e companheirismo permitiram concluir esta tese. v

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11 Algo só é impossível até que alguém duvide e acabe por provar o contrário Albert Einstein vii

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13 Conteúdo RESUMO...I ABSTRACT...III AGRADECIMENTOS... V CONTEÚDO...IX LISTA DE FIGURAS...XI LISTA DE TABELAS... XV ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... XVII CAPÍTULO INTRODUÇÃO Objectivos do Trabalho Estrutura do trabalho... 2 CAPÍTULO ESTADO DA ARTE Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica Esquemas de Princípio de Sistemas de Conversão de Energia Fotovoltaica Conversores Single-Stage Inversor Buck-Boost proposto por Nubuyuki Kasa, Takahiko Iida e Hideo Iwamoto [9] Inversor Buck-Boost com Inversor de Ponte Completa proposto por Feel-Soon Kang, Sung-Jun Park, Su Eog Cho e Jang-Mok Kim [11] Conversores DC/DC DC/DC Não-Isolados Step-Down ou Buck Step-Up ou Boost Step-Up/Down ou Buck-Boost DC/DC Isolados Flyback Forward Push-Pull Meia Ponte Ponte Completa Esquemas MPPT Método Hill Climbing Hill Climbing modificado Condutância Incremental Tensão Constante β Oscilação do Sistema Correlação de Ondulação Comparação dos métodos em sistemas Single-Stage Conclusão dos Controlos MPPT CAPÍTULO ix

14 x Conteúdo MODELAÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS Introdução Modelo Eléctrico de Princípio de um Painel Fotovoltaico Equações Associadas a um Painel Fotovoltaico Iph Fonte de Corrente Dependente Id Díodo em paralelo R sh e R ph Implementação em PSIM Modelo da fonte de corrente dependente I ph Modelo da fonte de corrente dependente I D Cálculo de I D Calculo de I o Calculo de I do Cálculo de E g Resistências R ph e R sh Controlo Resultados da Simulação Variação da Radiação Solar Variação da Temperatura Comparação com Resultados Experimentais Teste a 850 W/m 50ºC Teste a 600 W/m 50ºC Conclusão Implementação em Matlab Método Newton-Raphson Código desenvolvido Resultados da Simulação Variação da Radiação Solar Variação da Temperatura Comparação com Resultados Experimentais W/m 50ºC W/m 50ºC Conclusão CAPÍTULO DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR SINGLE-STAGE Introdução Conversor Single-Stage Modelação em Psim do Conversor Desenvolvido Resultados Referência de Corrente Constante Controlo MPPT com Luminosidade dos Painéis Fotovoltaicos Constante Controlo MPPT com Luminosidade Variável nos Painéis Fotovoltaicos Conclusão CAPÍTULO CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO Desenvolvimentos Futuros ANEXO A REFERÊNCIAS

15 Lista de Figuras FIGURA 2.1: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO [6]... 4 FIGURA 2.2: SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICO COM DC/DC [3]... 4 FIGURA 2.3: SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICO SEM DC/DC [3]... 5 FIGURA 2.4: ESQUEMAS DE CONEXÃO PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS [6]... 5 FIGURA 2.5: DIFERENTES ESTADOS DO CONVERSOR DESENVOLVIDO POR KASA, IIDA E IWAMOTO... 8 FIGURA 2.6: RESULTADOS OBTIDOS PELA IMPLEMENTAÇÃO EXPERIMENTAL DO CONVERSOR DE [9]... 9 FIGURA 2.7: FACTOR DE POTÊNCIA E EFICIÊNCIA DO CONVERSOR PROPOSTO POR [9] FIGURA 2.8: CONVERSOR ALTERNATIVO PROPOSTO POR [10] FIGURA 2.9: CONVERSOR SINGLE-STAGE PROPOSTO POR [11] FIGURA 2.10: FORMAS DE ONDA ASSOCIADAS AO CONVERSOR PROPOSTO POR [11] FIGURA 2.11: FORMAS DE ONDA DA SIMULAÇÃO DO CONVERSOR PROPOSTO POR [11] FIGURA 2.12: FORMAS DE ONDA DA SIMULAÇÃO EXPERIMENTAL DO CONVERSOR PROPOSTO POR [11] FIGURA 2.13: CONVERSOR DC/DC STEP-DOWN OU BUCK [12] FIGURA 2.14: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC STEP-DOWN OU BUCK [12] FIGURA 2.15: CONVERSOR DC/DC STEP-UP OU BOOST [12] FIGURA 2.16: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC STEP-UP OU BOOST [12] FIGURA 2.17: CONVERSOR DC/DC STEP-UP/DOWN OU BUCK-BOOST [12] FIGURA 2.18: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC STEP-UP/DOWN OU BUCK- BOOST [12] FIGURA 2.19: CONVERSOR DC/DC FLYBACK [12] FIGURA 2.20: CONVERSOR DC/DC FLYBACK COM DOIS INTERRUPTORES [12] FIGURA 2.21: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC FLYBACK (MODO DESCONTÍNUO) [12] FIGURA 2.22: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC FLYBACK (MODO CONTÍNUO) [12] FIGURA 2.23: CONVERSOR DC/DC FORWARD [12] FIGURA 2.24: CONVERSOR DC/DC FORWARD COM DOIS INTERRUPTORES [12] FIGURA 2.25: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC FORWARD [12] FIGURA 2.26: CONVERSOR DC/DC PUSH-PULL [12] FIGURA 2.27: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC PUSH-PULL [12] xi

16 xii Lista de Figuras FIGURA 2.28: CONVERSOR DC/DC MEIA PONTE [12] FIGURA 2.29: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC MEIA PONTE [12] FIGURA 2.30: CONVERSOR DC/DC PONTE COMPLETA [12] FIGURA 2.31: TENSÕES E CORRENTES ASSOCIADAS AO CONVERSOR DC/DC PONTE COMPLETA [12] FIGURA 2.32: CURVAS CARACTERÍSTICAS DA POTÊNCIA DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA [14] FIGURA 2.33: ESQUEMA USUAL DE UM SISTEMA DE CONVERSÃO SINGLE-STAGE COM MPPT [10] FIGURA 2.34: ALGORITMO MPPT HILL CLIMBING FIGURA 2.35: ALGORITMO MPPT HILL CLIMBING MODIFICADO FIGURA 2.36: ALGORITMO MPPT CONDUTÂNCIA INCREMENTAL FIGURA 2.37: ALGORITMO MPPT TENSÃO CONSTANTE FIGURA 2.38: ALGORITMO MPPT Β FIGURA 2.39: ALGORITMO MPPT OSCILAÇÃO DO SISTEMA FIGURA 2.40: ALGORITMO MPPT CORRELAÇÃO DE ONDULAÇÃO FIGURA 2.41: CONVERSOR SINGLE-STAGE AO QUAL FORAM APLICADOS OS MÉTODOS MPPT FIGURA 3.1: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO FIGURA 3.2: MODELO ELÉCTRICO IDEAL FIGURA 3.3: MODELO ELÉCTRICO REAL FIGURA 3.4: MODELO ELÉCTRICO IMPLEMENTADO EM PSIM FIGURA 3.5: CONJUNTO DE VARIÁVEIS ASSOCIADAS AO MODELO PSIM FIGURA 3.6: CONTROLADOR DA FONTE DE CORRENTE DEPENDENTE I PH FIGURA 3.7: CÁLCULO DE I D FIGURA 3.8: CÁLCULO DE I O FIGURA 3.9: CÁLCULO DE I DO FIGURA 3.10: CÁLCULO DE E G FIGURA 3.11: BLOCOS DE CONTROLO DO MODELO FIGURA 3.12: CURVA I/V EM FUNÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR FIGURA 3.13: CURVA DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR FIGURA 3.14: CURVA I/V EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA FIGURA 3.15: CURVA DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA FIGURA 3.16: CURVA I/V FORNECIDA PELO FABRICANTE FIGURA 3.17: MONTAGEM EXPERIMENTAL PARA TESTE AOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS FIGURA 3.18: RESULTADOS EXPERIMENTAIS CARACTERÍSTICOS DO PAINEL A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.19: COMPARAÇÃO DA CURVA I/V EXPERIMENTAL COM A SIMULADA A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.20: COMPARAÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA EXPERIMENTAL COM A SIMULADA A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.21: ERRO ENTRE AS ONDAS EXPERIMENTAIS E AS SIMULADAS A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.22: CURVAS CARACTERÍSTICAS DO PAINEL A 600 W/M 50ºC FIGURA 3.23: COMPARAÇÃO DA CURVA I/V OBTIDA COM A SIMULADA A 600 W/M 50ºC FIGURA 3.24: COMPARAÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA OBTIDA COM A SIMULADA A 600 W/M 50ºC... 56

17 FIGURA 3.25: ERRO ENTRE AS ONDAS EXPERIMENTAIS E AS SIMULADAS A 600 W/M 50ºC FIGURA 3.26: BLOCO DE SIMULAÇÃO IMPLEMENTADO EM PSIM FIGURA 3.27: MÉTODO NEWTON-RAPHSON [34] FIGURA 3.28: DIAGRAMA DE BLOCOS ASSOCIADO AO ALGORITMO DE CÁLCULO DE CORRENTE EM MATLAB FIGURA 3.29: CONJUNTO DE DADOS ASSOCIADOS AO MODELO MATLAB FIGURA 3.30: CURVA I/V EM FUNÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR FIGURA 3.31: CURVA DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR FIGURA 3.32: CURVA I/V EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA FIGURA 3.33: CURVA DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA FIGURA 3.34: COMPARAÇÃO DA CURVA I/V OBTIDA COM A SIMULADA A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.35: COMPARAÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA OBTIDA COM A SIMULADA A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.36: ERRO ENTRE AS ONDAS EXPERIMENTAIS E AS SIMULADAS A 850 W/M 50ºC FIGURA 3.37: COMPARAÇÃO DA CURVA I/V OBTIDA COM A SIMULADA A 600 W/M 50ºC FIGURA 3.38: COMPARAÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA OBTIDA COM A SIMULADA A 600 W/M 50ºC FIGURA 3.39: ERRO ABSOLUTO ENTRE AS ONDAS EXPERIMENTAIS E AS SIMULADAS A 600 W/M 50ºC.. 67 FIGURA 4.1: ESQUEMA DE CONVERSÃO USUAL PARA SISTEMAS MODULARES FIGURA 4.2: ESQUEMA DE CONVERSÃO SINGLE-STAGE PARA SISTEMAS MODULARES FIGURA 4.3: CONVERSOR PROPOSTO FIGURA 4.4: ESTADOS I E III DO CONVERSOR PROPOSTO FIGURA 4.5: ESTADOS II E IV DO CONVERSOR PROPOSTO FIGURA 4.6: ESQUEMA DE CONTROLO DO CONVERSOR PROPOSTO FIGURA 4.7: ESQUEMA DE CONTROLO COM REFERÊNCIA DE CORRENTE GERADA A PARTIR DA MEDIDA DE TENSÃO DA REDE FIGURA 4.8: ESQUEMA DE CONTROLO DA PONTE H FIGURA 4.9: MODELO DO CONVERSOR DESENVOLVIDO IMPLEMENTADO EM PSIM FIGURA 4.10: ALGORITMO MPPT IMPLEMENTADO FIGURA 4.11: DISTORÇÃO DA ONDA DE CORRENTE DE SAÍDA FIGURA 4.12: DETECTOR DE MÁXIMO DO ALGORITMO MPPT FIGURA 4.13: ESQUEMA DO ALGORITMO MPPT IMPLEMENTADO FIGURA 4.14: ONDA DE CORRENTE À SAÍDA DO CONVERSOR (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.15: ERRO ABSOLUTO ENTRE A CORRENTE DE REFERÊNCIA E A CORRENTE OBTIDA (TRAÇO FINO) E A SUA MÉDIA (TRAÇO GROSSO) (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.16: ONDA DE TENSÃO (TRAÇO INTERROMPIDO) E DE CORRENTE (LINHA CONTÍNUA) À SAÍDA DO CONVERSOR (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.17: ONDA DE CORRENTE NA BOBINA L 2 (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.18: ONDA DE CORRENTE NA BOBINA L 1 (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.19: ONDA DE TENSÃO NO CONDENSADOR V C2 (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.20: ONDA DE TENSÃO NO CONDENSADOR V C1 (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.21: POTÊNCIA DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) xiii

18 xiv Lista de Figuras FIGURA 4.22: THD ASSOCIADO AO CONVERSOR DESENVOLVIDO (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.23: HARMÓNICOS DE CORRENTE DO CONVERSOR DESENVOLVIDO (REFERÊNCIA DE CORRENTE CONSTANTE) FIGURA 4.24: ONDA DE CORRENTE À SAÍDA DO CONVERSOR (RADIAÇÃO SOLAR CONSTANTE) FIGURA 4.25: REFERÊNCIA DE CORRENTE (RADIAÇÃO SOLAR CONSTANTE) FIGURA 4.26: ÍNDICE DE MODULAÇÃO (RADIAÇÃO SOLAR CONSTANTE) FIGURA 4.27: POTÊNCIA DO PAINEL (RADIAÇÃO SOLAR CONSTANTE) FIGURA 4.28: RADIAÇÃO SOLAR APLICADA AOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS (RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL) 89 FIGURA 4.29: ONDA DE CORRENTE À SAÍDA DO CONVERSOR (RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL) FIGURA 4.30: REFERÊNCIA DE CORRENTE (RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL) FIGURA 4.31: ÍNDICE DE MODULAÇÃO (RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL) FIGURA 4.32: POTÊNCIA DO PAINEL (RADIAÇÃO SOLAR VARIÁVEL)... 91

19 Lista de Tabelas TABELA 2.1: PRINCIPAIS NORMAS QUE REGULAMENTAM A LIGAÇÃO À REDE DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS TABELA 2.2: COMPARAÇÃO DOS MÉTODOS MPPT TABELA 3.1: CARACTERÍSTICAS DO PAINEL FOTOVOLTAICO TABELA 4.1: ESTADOS DE FUNCIONAMENTO ASSOCIADOS AO CONVERSOR DESENVOLVIDO TABELA 4.2: RESULTADO DA MULTIPLICAÇÃO NO ALGORITMO MPPT IMPLEMENTADO xv

20 xvi Lista de Tabelas

21 Abreviaturas e Símbolos C m Parâmetro constante para o método modificado Hill Climbing D Duty Cycle I MPPT Corrente no ponto de potência máxima I sc Corrente de curto-circuito J 0 Coeficiente de temperatura da corrente do painel -23 K Constante de Boltzman (1.38x10 ) M Índice de modulação da onda de corrente n Constante de idealidade do díodo (usual 1.5) N S - Número d células em série q Carga do electrão (1.602x10-19 ) THD - Total Harmonic Distortion V MPPT Tensão do painel no ponto de potência máxima V OC - Tensão de circuito aberto δ νpv Pico da tensão de ripple de um painel fotovoltaico xvii

22 xviii Abreviaturas e Símbolos

23 Capítulo 1 Introdução Desde o aparecimento do petróleo e da descoberta das suas capacidades energéticas que este tem sido um dos principais elementos usados para a produção de energia eléctrica. Trata-se, no entanto, de um elemento não renovável, que demora milhares de anos a ser criado, pelo que as reservas mundiais existentes, uma vez utilizadas não poderão ser repostas. A quantidade de petróleo que é retirada em cada ano é uma variável sempre em crescendo nas últimas décadas. Tem-se verificado, nos últimos tempos, que esta variável está a estagnar, sendo este fenómeno interpretado por muitos especialistas como um aviso de que as reservas mundiais de petróleo estão a acabar. Uma vez que a produção de energia eléctrica depende significantemente deste elemento, este fenómeno tem preocupado a comunidade internacional que procura agora alternativas para essa produção. As energias renováveis, entre elas a energia fotovoltaica, aparecem como boas alternativa para a produção de energia eléctrica. A energia fotovoltaica tem como princípio de funcionamento a transformação da radiação solar em energia eléctrica. Uma desvantagem deste tipo de geradores eléctricos é o facto de a sua eficiência energética ser baixa, rondando os 15%, ao mesmo tempo que o investimento necessário para adquirir este tipo de geradores é elevado. A conjugação destas características leva a que o retorno de investimento de sistemas fotovoltaicos demore bastantes anos, tornando - o pouco atractivo. Para contrariar esta característica a comunidade científica tem realizado diversos estudos com vista ao desenvolvimento dos sistemas fotovoltaicos, quer por aumento da sua eficiência energética, quer por redução do investimento necessário para a aquisição deste tipo de sistemas. Os desenvolvimentos têm-se concentrado nos seguintes aspectos: busca de materiais fotovoltaicos com eficiência energética superior; desenvolvimento dos sistemas de produção de painéis fotovoltaicos com o objectivo de reduzir o preço destes geradores; e desenvolvimento dos sistemas de conversão de energia com o objectivo de aumentar a sua eficiência e diminuir o investimento necessário. Assim, esta tese apresenta o projecto de um novo sistema de conversão de energia fotovoltaica, com interligação à rede doméstica de energia, 230 V 50Hz, tendo o seu desenvolvimento sido apoiado pelo software de simulação PSIM. Com o objectivo de os resultados obtidos serem o mais próximo possível dos reais, foi ainda desenvolvido um modelo de simulação de painéis fotovoltaicos para uso como entrada do conversor. 1

24 2 Introdução 1.1 Objectivos do Trabalho No decorrer deste trabalho, que se centra no desenvolvimento de um conversor para aplicação a sistemas de conversão de energia fotovoltaica single-stage, para ligação à rede doméstica de energia eléctrica, 230 V 50 Hz, foram determinados os seguintes objectivos: I. Estudo dos painéis fotovoltaicos para construção de um modelo em PSIM e Matlab II. III. IV. Validação dos blocos de simulação por comparação com d ados experimentais Desenvolvimento do esquema de princípio de um conversor, para aplicação a sistemas fotovoltaicos single-stage, com ligação à rede doméstica de energia eléctrica, 230 V 50 Hz Desenvolvimento de um controlador para o sistema V. Modelação do conjunto painéis/conversor/controlador no software de simulação PSIM para validação do modelo 1.2 Estrutura do trabalho O trabalho desenvolvido é apresentado neste documento que está dividido em cinco capítulos. Assim para além deste capítulo introdutório o Capítulo 2 faz referência ao estado de arte, sendo apresentados de uma forma genérica os últimos desenvolvimentos nos sistemas de conversão de energia fotovoltaica, os diferentes conversores DC/DC usados neste género de sistemas e os controladores mais utilizados. O Capítulo 3 apresenta a modelação de um bloco de simulação de painéis fotovoltaicos aplicado em PSIM e Matlab, focando as equações matemáticas associadas a um painel, o método aplicado para a criação dos modelos e a validação experimental do mesmo. O desenvolvimento de um conversor para aplicação em sistemas fotovoltaicos single-stage e os pormenores associados às suas características principais, bem como a demonstração do seu funcionamento, a partir dos resultados obtidos de um modelo de simulação, com controlo do ponto de potência máximo, MPPT, modelado em PSIM é apresentado no Capítulo 4. O Capítulo 5 relata as conclusões obtidas no decurso do trabalho sendo propostas sugestões para trabalhos futuros com o objectivo de aperfeiçoamento do conversor desenvolvido.

25 Capítulo 2 Estado da Arte 2.1 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica O aumento exponencial do consumo de energia eléctrica nas últimas décadas acompanhado com o crescente uso de combustíveis fósseis como o petróleo, gás natural e carvão têm sido alvo de elevada preocupação pela comunidade internacional [1]. O uso de combustíveis fósseis para a produção de energia eléctrica gera grandes quantidades de gases poluentes (principalmente CO 2 ) prejudiciais para o ambiente. A comunidade internacional, sabendo dos problemas ambientais que atingem neste momento a Terra, devido ao uso intensivo dos combustíveis fósseis, tem-se empenhado em encontrar uma solução global para alterar o caminho seguido até agora. Diversos acordos foram já efectuados, sendo o protocolo de Quioto, que recentemente entrou em vigor, o mais conhecido [1]. Em paralelo com o problema da emissão de gases poluentes, prevê-se nos próximos 20 anos uma taxa de crescimento de 2% ao ano no consumo de energia eléctrica [2, 3]. Será portanto necessário aumentar a produção de energia eléctrica de forma a satisfazer as necessidades dos consumidores, mas, por outro lado, é necessário reduzir as emissões de gases poluentes. Para obter mais energia eléctrica sem recorrer a combustíveis fósseis, a solução adoptada pela comunidade internacional tem sido a de recorrer às energias renováveis, sendo as mais usadas a energia eólica e a energia fotovoltaica [3]. Assim têm sido desenvolvidos novos parques eólicos e recentemente parques fotovoltaicos, bem como alterada a legislação para criar incentivos que levem ao aparecimento de novos sistemas descentralizados de geração de energia eléctrica [4]. Todas estas medidas têm por objectivo o aumento da capacidade instalada de geração de energia baseada em energias renováveis. O crescente aumento na procura das energias renováveis, entre elas a energia fotovoltaica, levou a que este tipo de geradores sofresse uma evolução, permitindo uma maior eficiência. De facto o uso de painéis fotovoltaicos para a produção de energia eléctrica para a rede, nunca havia sido considerado devido ao seu elevado preço e devido à baixa eficiência energética dos painéis fotovoltaicos (os mais usuais rondam os 15%). Para tornar economicamente viável o uso de energia fotovoltaica, diversos avanços científicos foram realizados, quer pelo aparecimento de novos materiais permitindo painéis fotovoltaicos com superior eficiência energética, quer pelos avanços obtidos nos sistemas de conversão de energia permitindo eficiências superiores e uma redução significativa nos investimentos necessários para implementar um sistema deste género [5]. Deste modo este Capítulo 2 apresenta, nas próximas secções, as evoluções sofridas, nos últimos anos, nos sistemas fotovoltaicos com ênfase no sistema de conversão de energia, 3

26 4 Estado da Arte continuando com a introdução aos conversores DC/DC e terminando com a apresentação dos algoritmos MPPT mais usuais Esquemas de Princípio de Sistemas de Conversão de Energia Fotovoltaica Como anteriormente referido uma das desvantagens dos sistemas fotovoltaicos é o elevado investimento inicial. O esquema adoptado para a interligação dos painéis fotovoltaicos à rede tem sofrido evoluções, permitindo assim reduzir a quantidade de componentes necessários e com ele reduzir o investimento inicial para o sistema de conversão de energia [3, 6]. Um painel fotovoltaico é um gerador eléctrico capaz de transformar a radiação solar em energia eléctrica. As características eléctricas de um painel fotovoltaico podem ser observadas na Figura 2.1. Figura 2.1: Curvas características de um painel fotovoltaico [6]. É desejável que o painel funcione no ponto (u MPP, i MPP ) de forma a fornecer o máximo de potência para a rede, tal como será explicado na secção 2.3. O painel fotovoltaico fornecerá uma tensão e corrente DC, não podendo estes sinais ser directamente injectados na rede eléctrica de energia. Assim é necessário um sistema de conversão de energia que, a partir das variáveis eléctricas do painel fotovoltaico, gere um sinal de corrente e tensão com as característi cas necessárias para injectar na rede (ondas sinusoidais a 50 Hz no caso de Portugal) [7]. O sistema de conversão de energia mais utilizado é o apresentado na Figura 2.2. Figura 2.2: Sistema de conversão de energia fotovoltaico com DC/DC [3].

27 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica 5 O andar DC/DC tem dois objectivos distintos: controlar o painel fotovoltaico para este fornecer o máximo de potência e aumentar o nível de tensão fornecido pelo painel fotovoltaico para que possa ser posteriormente modulado pelo conversor DC/AC. O andar DC/AC gera uma onda de tensão sinusoidal a 50 Hz, com nível de amplitude e desfasamento necessários, para injectar uma onda de corrente sinusoidal e assim transitar a potência dos painéis fotovoltaicos para a rede eléctrica [7, 8]. A Figura 2.3 apresenta um esquema alternativo, que tem vindo a ser desenvolvido na última década, com o objectivo de reduzir o número de componentes do sistema de conversão de energia e com eles o investimento necessário enquanto se aumenta o rendimento do sistema de conversão [1]. Figura 2.3: Sistema de conversão de energia fotovoltaico sem DC/DC [3]. Como se pode verificar pela análise da mesma, é um sistema de conversão de energia composto por um único andar, sendo este tipo de sistema denominado, sistema Single Stage. Este andar será o responsável por manter o painel fotovoltaico a fornecer a potência máxima e por gerar uma onda de corrente sinusoidal, normalmente, em fase com a rede para maximizar o trânsito de potência activa [3]. A distribuição dos sistemas de conversão de energia tem sido outra característica a ser desenvolvida de forma a reduzir custos e aumentar a eficiência do sistema de conversão de energia. Os esquemas mais utilizados estão representados na Figura 2.4, Figura 2.4: Esquemas de conexão para sistemas fotovoltaicos [6].

28 6 Estado da Arte O esquema a) é denominado por esquema centralizado e é caracterizado por uma matriz de painéis fotovoltaicos ligadas a um único conversor, podendo ser do tipo da Figura 2.2 ou da Figura 2.3. É um esquema usado em aplicações de potência superiores a cerca de 10 KW tendo a característica de ser um sistema de conversão de energia com baixo custo e uma eficiência elevada, graças ao uso de um único conversor. No entanto o uso de um único conversor traz também desvantagens, desde logo a fiabilidade do sistema [3]. Estando dependente de um único conversor, em caso de falha deste, todo o sistema pára, não existindo nenhuma alternativa para continuar a fornecer potência à rede. Outra característica é o facto da matriz de painéis fotovoltaicos ocupar uma área elevada, o que faz com que as condições de radiação solar e de temperatura de cada painel sejam diferentes (variáveis de que é dependente o painel, ver Capítulo 3). Como o sistema depende apenas de um único conversor, não é possível optimizar individualmente cada um dos painéis fotovoltaicos, reduzindo assim a eficiência energética do sistema completo [3]. O esquema b) é uma evolução do anterior, sendo denominado de esquema em string. No esquema da Figura 2.4 b) cada conversor é ligado a um conjunto de painéis fotovoltaicos em série. Com esta topologia a quantidade de painéis fotovoltaicos ligados ao conversor é menor, sendo necessário por isso a implementação de vários conversores para interligar os painéis fotovoltaicos à rede eléctrica. Embora esta característica aumente o investimento inicial, permite obter um sistema com redundância, já que apenas um conjunto de painéis fotovoltaicos ficará inactivo em caso de falha do seu conversor, para além de permitir a optimização dos painéis fotovoltaicos para fornecimento do máximo de potência [3]. O esquema c) é referido por alguns autores como o esquema a implementar em futuros sistemas fotovoltaicos, denominando-se de esquema multi-string [6]. Trata-se do esquema apresentado na Figura 2.4 b) com um sistema de conversão de energia composto por dois andares, um andar DC/DC seguido de um andar DC/AC (Figura 2.2). Cada conjunto de painéis fotovoltaicos está ligado a um conversor DC/DC tendo, como objectivo principal o controlo MPPT, ou seja, o controlo do painel fotovoltaico para fornecimento do máximo de potência (ver secção 2.3). Os conversores DC/DC são por sua vez ligados a um único conversor DC/AC que liga à rede e injecta a potência gerada pelos painéis fotovoltaicos. Este novo esquema permite optimizar cada um dos conjuntos de painéis fotovoltaicos, utilizando menos componentes (apenas um conversor DC/AC é implementado), logo reduzindo o investimento necessário e tornando o sistema mais eficiente [3, 6]. O esquema d) é denominado de esquema modular e tem como principal característica a implementação de um conversor por cada painel fotovoltaico. O esquema apresentado permite uma optimização de cada um dos painéis fotovoltaicos embora se verifique que é um esquema menos eficiente do que o esquema em string e mais dispendioso em termos de manutenção e investimento inicial [3]. A vantagem deste esquema é a capacidade de se obter um painel fotovoltaico plug and play, permitindo uma rápida ligação à rede sem necessidade de grandes conhecimentos sobre instalações eléctricas [6] Conversores Single-Stage Dos esquemas apresentados anteriormente o uso do esquema modular utilizando um sistema de conversão single-stage, apresentado na Figura 2.3, permite obter a modularidade e a eficiência que se pretende para sistemas de produção de energia descentralizados, por exemplo, para aplicar em sistemas domésticos [9]. O primeiro desafio deste género de sistemas é o de realizar com o mínimo de componentes possível a conversão de um sinal DC, fornecido pelo painel fotovoltaico, num sinal AC com as características necessárias para poder ser ligado à rede eléctrica. O conversor deverá ser capaz de:

29 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica 7 Extrair, para as condições ambientais, a máxima potência permitida pelo painel (controlo MPPT) Injectar a potência extraída na rede Para além de realizar todos os pontos atrás referidos, o conversor deverá estar de acordo com as normas internacionais, que regulamentam a interligação entre sistemas fotovoltaicos e a rede, sendo as principais: Tabela 2.1: Principais Normas que regulamentam a ligação à rede de sistemas fotovoltaicos. Característica IEC61727 IEEE1547 EN Potência Nominal 10 Kw 30 Kw 3,7 Kw (3-9) 4,0 % (2-10) 4,0 % V (11-15) 2,0 % (17-21) 1,5 % (23 33) 0,6 % (11-16) 2,0 % (17-22) 1,5 % (23-34) 0,6 % (3) 2,30 A (5) 1,14 A (7) 0,77 A Harmónicos de Corrente (Ordem h) Limites (>35) 0,3 % (9) 0,40 A (11) 0,33 A (13) 0,21 A Os harmónicos pares deverão ser abaixo de 25% do harmónico ímpar mais próximo Os harmónicos pares deverão ser abaixo de 30 % do harmónico ímpar mais próximo THD máximo de corrente 5,0 % 5,0 % - Factor de Potência a 50% da potência nominal 0, Gama da tensão em operação normal 85% - 110% (196 V 253 V) 88% - 110% (97 V 121 V) - Gama de frequências em operação normal 50 ± 1 Hz 59,3 Hz até 60,5 Hz - Assim, vários autores desenvolveram e propuseram diversos conversores Single-Stage que apresentam as características necessárias para ligar, com um único conversor, um painel fotovoltaico à rede eléctrica. Tais desenvolvimentos são apresentados em seguida.

30 8 Estado da Arte Inversor Buck-Boost proposto por Nubuyuki Kasa, Takahiko Iida e Hideo Iwamoto [9] Os autores referidos propuseram um sistema composto por dois conversores DC/DC buckboost (ver secção para detalhes deste conversor) interligados, para gerar à saída uma corrente sinusoidal em fase com a tensão da rede. O sistema proposto não necessita de transformador nem de bobina para ligação à rede e apresenta uma eficiência de conversão elevada. Figura 2.5: Diferentes estados do conversor desenvolvido por Kasa, Iida e Iwamoto.

31 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica 9 Como se pode verificar pela Figura 2.5 o esquema desenvolvido é composto por três condensadores, duas bobinas e quatro transístores. O conversor apresenta quatro estados diferentes para realizar a transmissão de energia dos painéis fotovoltaicos para a rede. Os estados I e II são activados para gerar à saída uma onda de corrente sinusoidal positiva em fase com a tensão da rede. O controlo transita entre estados I e II, carregando e descarregando a bobina L 1, modelando, desta forma, a onda que é injectada na rede. Os estados III e IV são activados para gerar à saída uma onda de corrente sinusoidal negativa e em fase com a tensão da rede. O controlo transita entre os estados III e IV controlando a carga e descarga da bobina L 2 modelando assim a forma de onda injectada na rede. Figura 2.6: Resultados obtidos pela implementação experimental do conversor de [9]. Pela análise da Figura 2.6 verifica-se que o conversor implementado gera, como pretendido, uma corrente sinusoidal na sua saída em fase com a tensão da rede. Uma das desvantagens do conversor proposto é o facto de estarem ligados dois painéis fotovoltaicos em que cada um apenas fornece potência durante meio período da onda. Apesar do algoritmo MPPT implementado com o controlador do conversor verificou-se que a eficiência do sistema era baixa:

32 10 Estado da Arte Figura 2.7: Factor de Potência e eficiência do conversor proposto por [9]. Para a resolução deste problema foi proposto por S. Jain e V. Agarwal [10], um conversor semelhante mas ligado a um único painel sendo por isso o único elemento que fornece potência para as arcadas positivas e negativa da onda de corrente gerada. Figura 2.8: Conversor alternativo proposto por [10]. A base de funcionamento do conversor mantém-se, tendo apenas alterado a configuração de entrada para incluir um único painel fotovoltaico. Conclui-se que se trata de um conversor simples, capaz de gerar todas as características pretendidas e passível de aplicação em sistemas domésticos.

33 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica Inversor Buck-Boost com Inversor de Ponte Completa proposto por Feel-Soon Kang, Sung-Jun Park, Su Eog Cho e Jang-Mok Kim [11] Em [11] é proposto um novo conversor Single-Stage para aplicação em sistemas fotovoltaicos. O sistema proposto é composto por um conversor DC/DC buck-boost (ver secção para detalhes deste conversor) e por uma ponte completa: Figura 2.9: Conversor single-stage proposto por [11]. Os painéis fotovoltaicos e o conversor buck-boost foram ligados de forma a gerar à saída uma onda de corrente sinusoidal rectificada. A partir de controlo em corrente e aplicando ao interruptor Q A um sinal PWM de alta-frequência, é controlada a corrente i L, de forma a modular a onda de corrente gerada à saída do conversor. Tratando-se de uma onda de corrente sinusoidal rectificada, não pode ser injectada na rede. Para transformar a onda produzida pelo conversor buck-boost, numa onda sinusoidal em fase com a tensão da rede (conseguindo-se assim factor de potência unitário) foi incluída uma ponte completa. A ponte é controlada a uma frequência baixa, 50 Hz, mantendo Q 1 e Q 2 ligados quando a tensão da rede é positiva, e Q 3 e Q 4 ligados, quando a tensão da rede é negativa. Uma das principais características da ponte é o facto de comutar os transístores com corrente e tensão nula. Esta característica permite que a comutação seja efectuada sem perdas, aumentando assim a eficiência da topologia.

34 12 Estado da Arte Figura 2.10: Formas de onda associadas ao conversor proposto por [11]. Este conversor foi simulado pelos autores de [11], tendo-se obtido os seguintes resultados para uma potência de saída de 140 W Figura 2.11: Formas de onda da simulação do conversor proposto por [11].

35 Sistemas de Produção de Energia Fotovoltaica 13 As simulações demonstraram que era possível, usando a topologia apresentada, gerar à saída uma onda de corrente sinusoidal com baixa taxa de distorção harmónica, THD. As simulações efectuadas mostraram também que a corrente i L era 10 vezes superior ao pico de corrente obtido à saída, o que limita desde logo esta topologia, a sistemas de conversão de energia fotovoltaica de baixa potência, tais como os sistemas domésticos. Foi ainda implementado pelos autores de [11] um protótipo da topologia apresentada composto por um buck-boost e uma ponte completa, ligados a três painéis fotovoltaicos com uma potência máxima de 162 W. Foi controlado a uma frequência de 10 KHz, pelo DSP TMS320F241 tendo-se obtidos os seguintes resultados: Figura 2.12: Formas de onda da simulação experimental do conversor proposto por [11]. Verificou-se que a topologia apresentada funcionava correctamente na prática, tendo-se obtido um factor de potência de 0,98.

36 14 Estado da Arte 2.2 Conversores DC/DC Como referido, a base dos sistemas de conversão de energia single-stage para painéis fotovoltaicos é o uso de conversores DC/DC com controlo de corrente. A utilização destes conversores terá como objectivo, não a criação de uma tensão DC à saída, mas sim a geração de uma onda de corrente sinusoidal rectificada. O conhecimento dos principais conversores DC/DC permite obter uma base de conhecimento que apoie o desenvolvimento de um sistema de conversão single-stage, tal como pretendido. Como tal, são apresentados, nesta secção, os principais conversores DC/DC. Pela análise de [12] conclui-se que os conversores DC/DC podem ser divididos em dois grupos: os conversores não-isolados, tais como o conversor step-down ou buck, step-up ou boost e step-up/down ou buck-boost; e os conversores isolados, tais como o conversor flyback, forward, push-pull, meia ponte e ponte completa DC/DC Não-Isolados Este tipo de conversores DC/DC não apresenta qualquer tipo de isolamento entre a entrada e a saída do circuito de conversão. São compostos principalmente por elementos passivos, bobinas e condensadores, e por transístores (MOSFET, IGBT), permitindo a sua configuração alterar o nível de tensão DC à sua saída. Para isso o transístor é actuado por meio de um sinal PWM, sendo o duty cycle (razão entre o tempo ON e o período do sinal PWM) desse sinal a característica principal que irá controlar o sinal de saída DC Step-Down ou Buck Trata-se de um conversor DC/DC que gera à saída um sinal de tensão DC de valor igual ou inferior ao da entrada. O esquema eléctrico deste conversor pode ser visto na Figura Figura 2.13: Conversor DC/DC Step-Down ou Buck [12]. Pelo esquema eléctrico do conversor DC/DC step-down verifica-se que a base de funcionamento deste elemento está no armazenamento e descarga de energia na bobina L. Esta característica é controlada pelo duty cycle do sinal PWM aplicado ao transístor presente no esquema. Analisando o circuito eléctrico da Figura 2.13 e sabendo que, em regime estacionário, o valor médio da tensão da bobina L, durante um período do sinal PWM é nulo, conclui-se que a função de transferência associada ao conversor DC/DC step-down é [8]:

37 Conversores DC/DC 15 V V IN D OUT (2.1) Sendo D uma variável entre 0 e 1 conclui-se que VOUT VIN confirmando que o objectivo deste conversor é o de diminuir a tensão DC presente na entrada. Figura 2.14: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC step-down ou Buck [12] Step-Up ou Boost O conversor step-up, ou Boost, é capaz de gerar à saída uma tensão DC de valor superior ou igual ao da tensão DC presente na entrada. O esquema eléctrico associado é o seguinte: Figura 2.15: Conversor DC/DC step-up ou Boost [12].

38 16 Estado da Arte Tal como acontece para o conversor DC/DC anterior também para o step-up a base de funcionamento está no armazenamento e descarga da energia na bobina L, sendo esta característica controlada pelo duty cycle do sinal PWM aplicado ao transístor. Sabendo que, em regime estacionário, o valor médio da tensão da bobina L, durante um período da onda PWM, é nulo, conclui-se que a função de transferência associada ao conversor DC/DC é [8]: V V IN 1 1- D OUT (2.2) Sendo D uma variável entre 0 e 1 verifica-se que VOUT VIN, confirmando assim que o objectivo deste conversor é o de aumentar a tensão DC presente na entrada. Figura 2.16: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC step-up ou Boost [12] Step-Up/Down ou Buck-Boost Este conversor permite gerar um sinal de tensão DC à saída cujo valor pode ser superior ou inferior ao valor da tensão DC de entrada. O esquema eléctrico associado a este conversor é: Figura 2.17: Conversor DC/DC step-up/down ou Buck-Boost [12].

39 Conversores DC/DC 17 Novamente a base de funcionamento deste conversor está no controlo da energia da bobina L, sendo efectuado a partir do duty cycle do sinal PWM aplicado ao transístor. Analisando o circuito da Figura 2.17 constata-se que o conversor apresenta uma característica particular, o facto de inverter a tensão. Sabendo que, em regime estacionário, o valor médio da tensão da bobina L, durante um período do sinal PWM, é nulo conclui-se que a função de transferência associada ao conversor da Figura 2.17 é [8]: V V IN 1 D 1- D OUT (2.3) Sendo D uma variável na gama entre 0 e 1 conclui-se portanto que VOUT VIN VOUT VIN confirmando-se assim a capacidade deste conversor em gerar à saída um sinal de tensão DC de valor superior ou inferior ao do presente na entrada, embora à custa de inversão do sinal de tensão DC. Figura 2.18: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC step-up/down ou Buck-Boost [12] DC/DC Isolados Outra gama de conversores DC/DC são os conversores isolados, que apresentam no seu circuito eléctrico um transformador de alta-frequência, permitindo assim gerar um isolamento magnético entre a entrada e a saída. Os conversores DC/DC isolados podem ser divididos em dois grandes grupos, os conversores de núcleo unidireccional [8] - conversor flyback e forward; e os conversores de núcleo bidireccional [8] - conversores push-pull, meia ponte e ponte completa. Tal como nos conversores não-isolados, também nos isolados o controlo é efectuado por meio de um sinal PWM com duty cycle variável.

40 18 Estado da Arte Flyback Este conversor é derivado de um buck-boost [8]que, como referido anteriormente, tem a particularidade de gerar à saída um sinal de tensão DC superior ou inferior ao valor do sinal presente na entrada. Um conversor flyback tem como base de funcionamento a quantidade de energia que é transferida da entrada para a saída. Para essa transferência é usado um a bobina, controlando-se a energia que por esta transita a partir do duty cycle do sinal PWM. Figura 2.19: Conversor DC/DC Flyback [12]. Analisando o esquema eléctrico do conversor flyback, representado na Figura 2.19, constatase que a bobina usada para a transferência de energia é a do transformador. Colocou-se então no circuito um elemento que, para além de realizar a transferência de energia, também isola a entrada do circuito da saída. Sabendo que o valor médio do fluxo do transformador durante um período do sinal PWM é nulo conclui-se que a função de transferência associada ao conversor é [8]: V V N N p D 1- D OUT s (2.4) IN Se em (2.4) N p =N s verifica-se que a função de transferência obtida é a mesma para o conversor buck-boost (equação (2.3)). Existe ainda uma variante deste tipo de conversor que, em vez de um único transístor à entrada, possui dois transístores. Figura 2.20: Conversor DC/DC Flyback com dois interruptores [12].

41 Conversores DC/DC 19 Uma das características do conversor flyback apresentado na Figura 2.19 é o facto de o transístor estar sujeito e elevados picos de tensão quando desliga. Estes picos se forem muito elevados, podem destruir o interruptor, sendo por isso usual a colocação de um snubber para protecção [12]. No circuito flyback apresentado na Figura 2.20 esta característica é menos crítica, já que a existência dos díodos, D 3 e D 4, permite a desmagnetização do transformador, diminuindo os picos de tensão aplicados aos transístores. Esta capacidade permite aumentar a frequência de comutação e também uma maior eficiência, embora à custa de incluir mais componentes no circuito. Figura 2.21: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC Flyback (modo descontínuo) [12]. Figura 2.22: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC Flyback (modo contínuo) [12].

42 20 Estado da Arte Forward Este conversor, tal como aconteceu com o flyback, foi também ele derivado de um dos conversores DC/DC não-isolados, mais propriamente o conversor step-down [8]. O seu objectivo é o de gerar um sinal de tensão DC à saída com nível diferente do sinal de entrada, podendo ser superior ou inferior, dependendo da razão de transformação escolhida para o transformador. Para isso a quantidade de energia que é transmitida da entrada para a saída é controlada por meio do duty cycle do sinal PWM aplicado. O elemento usado para essa transferência é uma bobina, tal como se pode constatar pela Figura Figura 2.23: Conversor DC/DC forward [12]. Pela análise da Figura 2.23 verifica-se que, ao contrário do que seria de esperar, o transformador apresenta três enrolamentos em vez dos usuais dois. Este enrolamento extra tem como objectivo desmagnetizar o núcleo do transformador, impedindo assim que este sature [8]. Quando o transístor abre, o transformador ainda retém alguma da energia que estava a transferir. Uma vez que o secundário está em aberto quando o transístor abre (D 1 está aberto) a energia do transformador não teria nenhum caminho para circular e assim descarregar o núcleo. A existência do terceiro enrolamento fornece esse caminho, permitindo assim descarregar a energia acumulada no núcleo do transformador. Sabendo que a energia média armazenada na bobina L presente na Figura 2.23 durante um período do sinal PWM é constante conclui-se que a função de transferência associada ao conversor é [8]: V V N N p D OUT s (2.5) IN Fazendo N p =N s verifica-se que a função de transferência é a mesma que a obtida para o conversor step-down (equação (2.1)). O conversor forward, pode apresentar uma outra topologia, usando dois transístores na entrada, em vez do único transístor da Figura Figura 2.24: Conversor DC/DC Forward com dois interruptores [12].

43 Conversores DC/DC 21 Esta topologia traz algumas vantagens face à apresentada na Figura 2.23, embora à custa da inclusão de mais elementos electrónicos na entrada do circuito. A primeira vantagem é o facto de os picos de tensão a que os transístores estão sujeitos terem metade do valor do que acontecia no caso de um único transístor. A outra vantagem é o facto de, com esta configuração, a desmagnetização do núcleo do transformador poder ser feita a partir dos díodos D1 e D2, não necessitando assim do terceiro enrolamento no transformador [8]. Figura 2.25: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC forward [12] Push-Pull Este conversor foi derivado do conversor DC/DC step-down [8], tal como o conversor forward referido anteriormente. O seu objectivo é o de criar à saída um sinal de tensão DC de nível diferente do sinal à entrada, podendo ser superior ou inferior dependendo da razão de transformação escolhida para o transformador. A tensão de saída é controlada pela quantidade de energia que é transferida pelo conversor, sendo esta grandeza controlada a partir do duty cycle dos sinais PWM aplicados aos transístores presentes no circuito.

44 22 Estado da Arte Figura 2.26: Conversor DC/DC Push-Pull [12]. Uma das principais características deste circuito, é o facto de a frequência que é vista na saída, ser o dobro da frequência de comutação dos transístores. Este facto permite uma filtragem mais eficiente reduzindo assim a ondulação de sinal presente à saída do conversor. Analisando o circuito e pelas equações de tensão e corrente associadas determina-se a função de transferência associada ao conversor [8]: V V OUT IN N s 2 D 0 D 0,5 (2.6) N p Uma vez que durante um período do sinal PWM os dois transístores são actuados então, para que não estejam em simultâneo ligados, o duty cycle do sinal PWM deverá ser limitado a 0,5. Desta forma, e sabendo que para T 2 o sinal PWM aplicado é desfasado meio período, garante-se que não ocorrerá nenhum curto-circuito. Este conversor deverá ter alguns cuidados quando implementado experimentalmente. Diferenças nos enrolamentos do transformador, diferenças significativas nos transístores ou diferenças nos sinais PWM poderão originar a saturação do transformador deixando o conversor de funcionar como projectado. Para resolver este problema o controlo em corrente do conversor é uma boa solução já que com este controlo podem ser compensadas as diferenças existentes no circuito [8]. Figura 2.27: Tensões e Correntes associadas ao conversor DC/DC Push-Pull [12].

45 Conversores DC/DC Meia Ponte Uma alternativa do conversor push-pull apresentado em é o conversor em meia ponte, também ele derivado do step-down [8]. Este conversor tem um funcionamento semelhante ao do push-pull, permitindo à saída do circuito obter um sinal de tensão DC de nível superior ou inferior ao da tensão de entrada, dependendo do rácio escolhido para o transformador. Figura 2.28: Conversor DC/DC Meia Ponte [12]. A conversão do nível de tensão é realizada pelo controlo da energia armazenada na bobina L presente no circuito da Figura A transmissão de energia para a bobina é efectuada aplicando ao primário do transformador uma tensão positiva (T 1 ligado) ou uma tensão negativa (T 2 ligado). Estas tensões são obtidas recorrendo a um ponto médio gerado por dois condensadores em série e a dois transístores ligados, respectivamente, ao terminal positivo e ao terminal negativo da fonte de tensão de entrada. A conexão dos condensadores, tal como apresentado na Figura 2.28, gera, no ponto intermédio, uma tensão V IN. Assim, é aplicado ao 2 V primário do transformador IN. 2 A partir da tensão aplicada ao primário do transformador e às equações de tensão e correntes do circuito conclui-se que a função de transferência associada a este é [8]: V V OUT IN N s D 0 D 0,5 (2.7) N p Analisando a equação (2.7) e comparando com a obtida para o push-pull ((2.6)) verifica-se que o ganho do circuito é metade. Este resultado foi consequência da tensão aplicada ao primário do transformador vir dividida por dois, devido à necessidade de um ponto médio gerado pelos condensadores. Apesar desta desvantagem esta topologia permite usar um transformador sem ponto médio no primário, simplificando assim a construção deste elemento.