Vazão (litros/hora) SEP 98 - INEP - UFSC 31 SISTEMA DE BOMBEAMENTO A PARTIR DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS UTILIZANDO CONVERSOR PUSH-PULL PARALELO RESSONANTE AUTO- OSCILANTE Marcello Mezaroba, Denizar Cruz Martins e Ivo Barbi UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Departamento de Engenharia Elétrica INEP Instituto de Eletrônica de Potência Caixa Postal 5119 CEP: 88040-970 Florianópolis SC Fone: (048)231.9204 Fax (048)231.9770 Email: denizar@inep.ufsc.br Resumo: Este trabalho apresenta a análise de um sistema de bombeamento através de células fotovoltaicas usando o inversor Push-Pull Paralelo Ressonante, para aplicações em áreas rurais. A estrutura de potência é particularmente simples e robusta. Ela trabalha com comutação ZVS. As principais vantagens do conversor são: um único estágio de processamento de energia, baixa distorção harmônica da tensão na carga e isolação natural. Princípio de operação, procedimento de projeto e resultados experimentais são apresentados. I. INTRODUÇÃO A crescente procura por meios alternativos de obtenção de energia de uma maneira simples, não poluidora e que ao mesmo tempo não cause forte impacto ecológico ao meio ambiente, levou vários profissionais da área de Engenharia Elétrica a optarem pelo tratamento da energia solar. O bombeamento de água a partir de painéis fotovoltaicos têm sido estudado por diversos profissionais, principalmente pelas dificuldades e alto custo na implementação de sistemas convencionais em propriedades rurais. Neste artigo será proposto um sistema de bombeamento utilizando tecnologia simples, robusta, barata, de fácil instalação e reduzida manutenção. O sistema é composto, além dos PV s e banco de baterias, por um Inversor Push-Pull Paralelo Ressonante e uma Bomba Vibratória Submersa. A utilização deste sistema traz inúmeras vantagens em relação aos sistemas convencionais (inversor-motor-bomba centrífuga), principalmente pela simplicidade da bomba, tornando possível o aproveitamento de seu circuito equivalente na ressonância do conversor proposto. A comutação do conversor se realiza na passagem da tensão de saída por zero e possui circuito de comando auto-oscilante, aumentando ainda mais a confiabilidade do sistema. Será apresentado uma metodologia de projeto simplificada, bem como, simulação e resultados experimentais de um protótipo desenvolvido em laboratório, que encontra-se atualmente em testes. II. OBTENÇÃO DO MODELO ELÉTRICO EQUIVALENTE DA BOMBA Considerando os aspectos acima relacionados optamos pela utilização de uma bomba vibratória submersa. Esta bomba é muito utilizada pela sua simplicidade, baixo custo e robustez, sendo, facilmente encontrada em todas as regiões do país. Além disso, esta bomba possui a grande vantagem de efetuar o bombeamento em poços com profundidade de até 80 metros, o que não é possível para bombas centrífugas. Em condições normais, o bombeamento é de aproximadamente 1500 litros hora. Na Fig. 1 podemos observar o comportamento da bomba para diversas profundidades: 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 altura (m) Fig. 1 - Performance da Bomba As características técnicas apresentadas pelo fabricante podem ser vistas na tabela 1: Tabela 1 - Características Técnicas da Bomba Modelo BK N o 3-80m Sistema Vibratória Potência Aparente 1100 VA Tensão Eficaz Nominal 220 V Freqüência 60 Hz Tubo de Recalque 3/4 Peso 5.5 Kg Vazão 1800 lh Para a obtenção do seu circuito elétrico equivalente, foram realizados ensaios em condições normais de funcionamento, ou seja, alimentando a bomba diretamente na rede. As Figs. 2 e 3 mostram as formas de onda de tensão e corrente na bomba adquiridas em um osciloscópio digital. O modelo elétrico equivalente pode ser visto na Fig. 4.
32 SEP 98 - INEP - UFSC Vrede R c Vin 170 I cos b Ib L c Vin 120mH 2 f I sin b III. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO Fig.2. - Tensão e Corrente na Bomba (Partida) Escalas: 100V/div; 5A/div; 10ms/div Vrede Ib O conversor proposto para esta aplicação é o Inversor Push-Pull Paralelo Ressonante Auto-Oscilante.[1]-[2], com o capacitor ressonante colocado em paralelo com a carga, no secundário do transformador. Além disso, utilizou-se interruptores Mosfet s simplificando significativamente o circuito de comando autooscilante. Para facilitar a análise, são feitas as seguintes simplificações: Os semicondutores são considerados ideais; o transformador é representado pela sua indutância magnetizante; a corrente de entrada é constante e sem ondulações. O conversor completo pode ser visto na Fig. 5. As Figs. 6 e 7 mostram as etapas de funcionamento do conversor simplificado. Rc Lc Cr Fig.3 - Tensão e Corrente na Bomba Escalas: 100V/div; 5A/div; 5ms/div Lin A Lp1 Ls Lp2 B Onde: Vrede = 217.8 V (Tensão eficaz da rede) Ib = 4.9 A (Corrente eficaz na bomba) = 74.68 (Ângulo de defazagem) f = 60 Hz (Freqüência de operação) Como podemos ver, nossa carga possui uma característica indutiva, com grande circulação de energia reativa e baixo fator de deslocamento (cos), podendo então ser representada por uma indutância associada a uma resistência. Por simples afinidade foi escolhido o modelo RL paralelo para representar o circuito equivalente da carga. M1 r1 z1 Comando laux1 laux2 _ Auto-Oscilante Fig. 5 Inversor Push-Pull Paralelo Ressonante Auto- Oscilante S1 S2 + r2 z2 _ Fig. 6 1 a etapa de Funcionamento (to - t1) M2 Lc Rc S1 + _ S2 Fig. 4 - Modelo Elétrico da Bomba Fig. 7 2 a etapa de Funcionamento (t1 - t2)
SEP 98 - INEP - UFSC 33 III.1. Descrição das etapas de funcionamento: 1 a etapa: - Condução de S2 (t 0 - t 1 ) Esta etapa inicia em t o. Na passagem da tensão por zero, o interruptor S1 que conduzia a corrente de entrada é comandado a abrir. Simultaneamente S2 é comandado a conduzir assumindo a corrente. A comutação dos interruptores é suave. A tensão passa a crescer senoidalmente devido à ressonância entre Cr e Lc. 2 a Etapa: - Condução de S2 (t 1 - t 2 ) Em t=t1, a tensão ressonante passa por zero. S2 é comandado a abrir enquanto S1 é comandado a conduzir assumindo a corrente. A comutação é suave, e a tensão passa a decrescer senoidalmente. Esta etapa termina em t 2, onde a 1 a etapa volta a se repetir. As principais formas de onda são mostradas na Fig. 8. IV.4. Dimensionamento da indutância magnetizante do transformador VABrms Lmsec d Imsec Lm sec = 4,85 H Lm sec - indutância magnetizante referida ao secundário Im sec - Corrente magnetizante referida ao secundário IV.5. Dimensionamento da corrente e indutor de entrada V a 2 AB( rms) Rc 2 I in = 29,7A T Lin 4 01. L in =18 mh onde: T=1/f Vp Vp Vs1 Is2 Is1 Vs2 IV.6. Cálculo do capacitor ressonante 4 Rc Rc Rc Lceq d Cr 16 16 2 2 8 Rc Lc d 2 4 2 2 2 Cr = 58,7 F Onde: Lc eq L c \ \ Lmag sec eq Vp -Vp IV. to t1 t2 Fig.8. Principais formas de onda PROCEDIMENTO DE PROJETO E EXEMPLO IV.1. Especificações de Projeto: = 12 V (Tensão de Entrada) = 220 V (Tensão Eficaz de Saída ) Lc = 120 mh (Indutância de Carga) Rc = 170 (Resistência de Carga) = 0.80 (Rendimento) f = 60 Hz (Freqüência de Operação) d= 377 rad/seg (Freq.de Ressonância amortecida) IV.2. Cálculo da Tensão V AB Do equacionamento apresentado em [2], temos: IV.3. VAB( rms) 2 V AB(rms) = 26,65 V Cálculo da relação de transformação a Vab a =8,25 rms rms será: IV.7. Número de baterias em paralelo. A potência e a corrente média entregue pelas baterias Pout PBav 350W PBav IBav 30A O número de baterias em paralelo é dado por: BA IBav NB = 1,5 batteries Bc Onde: N B Número mínimo de baterias em paralelo. B A Autonomia das baterias: 3 horas; B C Capacidade das baterias: 60Ah. Foram escolhidas duas baterias de chumbo-ácido (12V- 100Ah) IV.8. Número de painéis fotovoltaicos Os painéis fotovoltaicos utilizados neste projeto podem entregar até 3Ah (Amperes horas) com uma radiação solar de 1000 W/m 2. Na condição mais crítica a radiação solar em nossa região (Florianópolis / SC) é de aproximadamente 2500W/m 2 por dia. Assim: Onde: Ah d I Rs R R s av = 7,5 Ah Ah d Amperes-horas fornecidos diariamente por cada painel. R av Radiação solar média: 2500 W/m 2 / dia (Situação mais desfavorável).
34 SEP 98 - INEP - UFSC R S Radiação solar padrão: 1000 W/m 2 I RS Amperes-horas fornecido pelo painel para a radiação R S : 3Ah. Deste modo, o número de painéis fotovoltaicos é dado por: AhL Np = 4 painéis Ah d Onde: Ah L Amperes-horas drenados diariamente pela carga: 30Ah. Iout V. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Com o objetivo de comparar a análise teórica, um protótipo de laboratório foi implementado, utilizando os dados de projeto obtidos no item anterior. O protótipo apresenta os seguintes dados. Vin = 12V(dc) = 220V(rms) f = 60Hz As principais formas de onda podem ser vistas nas figuras abaixo. A análise harmônica da tensão e da corrente aplicada nos terminais da bomba também será apresentada. Fig. 11 - Tensão e Corrente na Bomba (Transitório de Partida) Escalas: 100V/div; 5A/div; 10ms/div Iout Fig.9 Tensão e Corrente na Bateria (Transitório de Partida) Escalas: 10V/div; 20A/div; 10ms/div Fig. 12 - Tensão e Corrente na Bomba Escalas: 100V/div; 5A/div; 2ms/div Im1 Vds Fig.10 Tensão e Corrente na Bateria Escalas: 10V/div; 10A/div; 2ms/div Fig. 13 - Tensão e Corrente nos Interruptores (Transitório de Partida) Escalas: 10V/div; 20A/div; 10ms/div
SEP 98 - INEP - UFSC 35 Im1 Icr Vds Fig. 14 - Tensão e Corrente nos Interruptores Escalas: 10V/div; 10A/div; 2ms/div Fig. 17 - Tensão e Corrente no Capacitor Ressonante (Transitório de Partida) Escala: 100V/div; 5A/div; 10ms/div Vg1 Vg2 Icr Fig. 15 - Tensão nos Gatilhos (Transitório de Partida) Escalas: 5V/div; 10ms/div Fig. 18 - Tensão e Corrente no Capacitor Ressonante Escala: 100V/div; 5A/div; 2ms/div Isec Vg2 Vg1 Fig. 16 - Tensão nos Gatilhos Escalas: 5V/div; 2ms/div Fig. 19 - Tensão e Corrente no Secundário do Transformador (Partida) Escalas: 100V/div; 2A/div; 10ms/div
36 SEP 98 - INEP - UFSC VI. CONCLUSÕES Isec Fig. 20 - Tensão e Corrente no Secundário do Transformador Escalas: 100V/div; 1A/div; 2ms/div Neste artigo foi apresentado uma nova proposta para o bombeamento de água utilizando energia fotovoltaica. Foi empregado um Inversor Push-Pull Paralelo Ressonante Auto- Oscilante acionando uma Bomba Vibratória Submersa. Este conversor mostrou-se extremamente bem adaptado a esta carga, fornecendo tensão senoidal de ótima qualidade sem a necessidade de modulação e com comutação sob tensão nula. A operação do conversor em baixa freqüência, além de não produzir EMI, permite a utilização de chapas de ferro-silício para a construção dos elementos magnéticos, aumentando sua resistência mecânica. O comando auto-oscilante torna o conversor auto-adaptável a possíveis variações quantitativas no modelo equivalente da bomba além de dispensar o uso de circuitos integrados tornando-o simples e robusto. A característica de fonte de corrente na entrada proporciona uma diminuição das perdas na bateria, aumentando sua vida útil. Como utiliza tecnologia simples, robusta e barata, este conversor mostra-se muito atraente para esta aplicação, principalmente em localidades afastadas e com pouca mão de obra especializada. VII. BIBLIOGRAFIA [1] C. H. Lee, G. B, Joung, e G. H. Cho, A Unity Power Factor High Frequency Parallel Ressonant Eletronic Ballast, IEEE 1990, pp. 1149-1156 [2] G. W. Brüning, A New High-Voltage Oscilator, IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. IE-33, N o 2, May/1986, pp.171-175 Fig. 21 - Análise Harmônica da Tensão de Saída Fig. 22 - Análise Harmônica da Corrente de Carga Os resultados experimentais do conversor em sua versão final mostraram-se estar de acordo com os estudos teóricos. Além do fato da tensão nos terminais da bomba ser de excelente qualidade, o comportamento transitório com circuito autooscilante não apresentou problemas. A comutação dos interruptores foi satisfatória, apesar da necessidade de circuitos grampeadores. Não ocorreram sobretensões importantes na carga ou nos interruptores, que poderiam colocar em risco alguns componentes. A corrente de partida esta dentro dos níveis permitidos especificado nos catálogos fornecidos pelo fabricante dos interruptores.