PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR CC-CC PARA APLICAÇÃO EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS Autores: Samuel PINHEIRO, Cleyton T. PAZ, Tiago DEQUIGIOVANI, Jessé de PELEGRIN, Marcos FIORIN. Identificação autores: Estudante de Graduação de Engenharia de Controle e Automação; Estudante de Graduação de Engenharia de Controle e Automação; Professor orientador IFC-Campus Luzerna; Professor colaborador IFC- Campus Luzerna; Professor colaborador IFC-Campus Luzerna. Introdução Nos últimos anos, o interesse na pesquisa em fontes de energia renováveis tem aumentado consideravelmente, devido à elevação no consumo mundial, aquecimento global e poluição. A exemplo das células solares e células a combustível, diversas fontes renováveis fornecem energia elétrica na forma de corrente contínua (CC), sendo necessária aplicação de conversores de potência para adequá-las à necessidade da carga a ser conectada (Carrasco et al., 2006). Especificamente sobre a energia solar, de acordo com (Alves et al., 2014), relatórios recentes indicam que o Brasil tem potencial anual de geração fotovoltaica de 24,993 TWh, mas tem instalada ou em construção apenas 15,12 MW. Tais dados, em conjunto com o cenário energético atual, mostram a defasagem no desenvolvimento de setor e justificam a necessidade de investimentos em pesquisa voltada à energia fotovoltaica no Brasil. Neste trabalho, um conversor CC-CC isolado é aplicado para a conexão de placas fotovoltaicas à um barramento CC, denominado DC microgrid. Uma microgrid é um sistema que pode operar de forma autônoma, sem a necessidade de conexão à uma rede de distribuição. Consiste em pequenos geradores eólicos, células à combustível, módulos de painéis fotovoltaicos, entre outros (Phurailatpam et al., 2015). barramento pode ser alimentado pelas diferentes fontes de energia através de conversores de potência individuais. A este barramento podem ser conectadas cargas CC, cargas CA, banco de baterias, etc. (Scortegagna et al., 2014). Para o projeto do conversor considera-se a utilização de painéis fotovoltaicos de 240 Wp (Watts pico) cada, com fornecimento de até 30 V em corrente contínua. O conversor apresentado é projetado para tensão 15 a 30 V de entrada, saída de 400 V e potência nominal de 1 kw, portanto suporta a conexão de até quatro painéis fotovoltaicos conectados em paralelo. O
Material e Métodos De modo a atender as especificações do projeto, foram pesquisadas topologias de conversores CC-CC para o processamento da energia fotovoltaica. Uma vez que, ao barramento CC podem ser conectadas fontes de energia distintas, é requerido um conversor isolado para a conexão de cada fonte ao barramento. Os conversores isolados apresentam uma isolação galvânica entre entrada e saída, obtida através de um transformador. Existem diversas topologias de conversores isolados, entre os quais, os mais conhecidos e utilizados são os conversores Flyback, push-pull, meia ponte (halfbridge ) e ponte completa (full bridge ) (Mohan et al., 1989). Os conversores Flyback, push-pull e meia ponte, contudo, são recomendados para aplicações onde a potência média é inferior a 500 W. Já o conversor em ponte completa é recomendado para aplicações onde a potencia média é de até 1500 W (Martins e Barbi, 2008). Conforme as especificações deste projeto a potência deve ser de 1 kw, portanto o conversor adotado é a topologia ponte completa na etapa inversora. A topologia completa do conversor é mostrada na Figura 1, o qual consiste em um inversor ponte completa (estágio CC/CA), um transformador operando em alta frequência (estágio CA/CA), um retificador em ponte no secundário (estágio CA/CC) e um filtro LC na saída. O circuito grampeador mostrado é opcional. A fonte V IN representa a tensão gerada pelas placas fotovoltaicas. Figura 1 - Topologia para conversor CC-CC em ponte completa Dentre os componentes utilizados para a implementação do conversor, os elementos magnéticos (transformador e indutor) tem o procedimento de projeto mais complexo. A metodologia de projeto utilizada é descrita em (Mohan et al., 1989; Barbi, 2006). Na Tabela 1 são descritos os parâmetros de projeto do transformador e dos
elementos de filtro (indutor e capacitor). Conforme observa-se na Tabela 1, a relação de transformação do transformador é de 27 vezes. Na Tabela 2 são apresentadas as especificações dos demais componentes. Tabela 1 - Especificações do transformador e do filtro LC Núcleo do transformador EE 55/28/21 Espiras do primário (Np) Espiras do secundário (Ns) Frequência de chaveamento do conversor 2 x 10 AWG18 54 x 1 AWG18 20 khz Ondulação de corrente no indutor 20%(2,5 A) Indutância de filtro (Lf) 5 mh Núcleo do filtro EE 55/28/21 Espiras do filtro Entreferro Capacitância do filtro (Cf) 142 x 2 AWG21 1,8 mm 100 nf Ondulação de tensão no capacitor 5%(400 V) Tabela 2 - Especificações dos semicondutores D 1 a D 4 S 1 a S 4 HFA08TB120 (8A, 1200V, trr=28 ns) IRGP4063 (48A a 100 C) Resultados e discussão Os resultados experimentais do conversor foram obtidos para a potência de saída de 700 W, tensão de entrada 30 V e tensão de saída 400 V. As Figuras 2, 3 e 4 mostram as formas de onda obtidas experimentalmente com o osciloscópio. Para o comando dos dispositivos controlados (transistores S 1 a S 4 ), utilizou-se modulação PWM Phase-Shift (deslocamento de fase), implementada através do microcontrolador NXP LPC1343 e como circuito de drive o CI HCPL3150. As formas de onda do PWM são mostradas na Figura 2. Observa-se em 2(a) e 2(b) que as chaves S 1 e S 2, e S 3 e S 4 nunca são comandadas ao mesmo tempo, existindo inclusive um tempo morto. A defasagem entre as chaves S 1 e S 4 e entre S 1 e S 3, que caracterizam a modulação phase-shift, pode ser observada nas Figuras 2(c) e 2(d). O funcionamento do estágio inversor (CC/CA) pode ser observado na Figura 3, onde a tensão alternada no primário (CH1) e no secundário (CH2) do transformador são apresentadas. Verifica-se que a relação entre os valores eficazes das tensões de saída e entrada é de aproximadamente 29 vezes.
S 1 S 2 S 3 S 4 (a) (b) S 1 S 1 S 3 S 4 (c) Figura 2 - Tensão de comando nos transistores (d) tensão de grampeamento Figura 3 - Tensão no primário e secundário Figura 4 - Tensão retificada e na carga Na Figura 4 observar-se a forma de onda de tensão após a etapa de retificação (CA/CC), no canal 2 (CH2), e a tensão na carga (após o filtro LC), no canal 1 (CH1). Verifica-se que a tensão média na saída é de aproximadamente 400 V. Devido à elementos parasitas do transformador e dos transistores, foi necessário utilizar um circuito grampeador de tensão, do tipo RCD (S.-Y. Lin e C.-L. Chen, 1998), para assegurar que os diodos da ponte retificadora não sejam danificados por sobretensão. Utilizaram-se os componentes: R = 82 kω -5 W, C = 47 nf e D = HFA08TB120. Conclusão O conversor CC-CC estudado neste trabalho foi implementado, apresentando resultados experimentais coerentes com o objetivo. No entanto, perdas causadas por
efeito Joule no estágio inversor, limitam significativamente a potência máxima obtida na carga. Isso pode ser verificado na Figura 3, onde a tensão no primário tem uma queda em torno de 5 V em relação à fonte. Além disso, para aumentar a potência na carga, deve-se aplicar outras técnicas de construção para o transformador, com o objetivo de reduzir os elementos parasitas, como capacitâncias entre os enrolamentos. Referências ALVES, G.; MORAES, L.; MARAFÃO, F.; Serni, P.; SIMÕES, M. Energia Solar no Brasil: Legislação, Políticas Públicas e Desafios para a Instalação de Sistemas Fotovoltaicos e Termossolares. O Setor Elétrico, Ed. 104, p. 72-83, 2014. BARBI, I. 2006. Projeto de Fontes Chaveadas, Edição do autor, UFSC, 2 ed. CARRASCO, J. M.; et al. Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy source: A survey. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 53, n. 4, p. 1002-1016, 2006. LIN, S.-Y.; CHEN, C.-L., Analysis and design for rcd clamped snubber used in output rectifier of phase-shift full-bridge zvs converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 45, n. 2, p. 358 359, 1998. MARTINS, D. C.; BARBI, I. 2008. Eletrônica de Potência: Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA. Edição dos autores, Florianópolis, 2 ed. MOHAN, N.; UNDELAND, T. M.; ROBBINS, W. P. 1989. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. Jhon Wiley, New York USA, 2 ed. PHURAILATPAM, C.; SANGRAL, R.; RAJPUROHIT, B. S.; SINGH, S. N.; LONGATT, F. G. Design and analysis of a dc microgrid with centralized battery energy storage system. Annual IEEE India Conference (INDICON), p. 1-6, 2015. SCORTEGAGNA, R. G.; STEIN, C. M. O.; DEQUIGIOVANI, T. A high step-up DC- DC Interleaved Flyback Converter for DC Microgrids Applications. PCIM South America: International Conference and Exhibition for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, p. 306-313, 2014.