XI Salão de
Iniciação Científica
PUCRS
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UMA CENTRAL
INVERSORA DE 5 kW PARA FONTES DE ENERGIAS
RENOVÁVEIS – Módulo de Controle
Flávio Henrique Pereira de Oliveira1, Fernando Soares dos Reis1 (orientador)
1
Faculdade de Engenharia – Laboratório de eletrônica de potência, PUCRS.
Resumo
O principal foco deste trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de uma
estratégia confiável de controle digital aplicada a um módulo de potência de um inversor de
tensão trifásico senoidal de 5 kW. Para tal fim serão desenvolvidos algoritmos de seguidor do
ponto de máxima transferência de potência (MPPT), de modo a maximizar o aproveitamento
da energia disponível em fontes de energia renováveis (FER), através do controle apropriado
do módulo inversor. Tal estratégia será desenvolvida utilizando-se uma plataforma de testes
constituída por uma placa DSP (dSPACE® modelo DS1104) e da ferramenta SIMULINK®,
disponível no software MATLAB®. Será utilizado um módulo de potência de um inversor de
tensão trifásico senoidal da empresa SEMIKRON, modelo B6U B6I E1IF11KWFE6, o qual
foi objeto de doação por parte da empresa CEEE no âmbito de projeto de P&D.
Introdução
Hoje ainda existem resquícios da grande crise global desencadeada na década de 70, a
chamada “crise dos barris de petróleo”, que de certa forma se perpetua nos constantes
conflitos no oriente médio. O modelo de vida ocidental tem sede de energia, isto é devido ao
modelo econômico atual, baseado na industrialização dos meios de produção, no crescimento
exponencial da população mundial e na natureza finita dos combustíveis fósseis. Assim, o
homem tem procurado cada vez mais encontrar outras formas de obtenção de energia elétrica
para a manutenção de um nível de vida compatível com a sua própria dignidade. Nasce assim
a busca por fontes de energia renováveis.
Nos últimos anos, estas formas de energia, ganharam grande importância comercial
principalmente nos países desenvolvidos. Esta transformação foi possível graças a várias
causas tecnológicas e políticas. Do ponto de vista tecnológico, o desenvolvimento de células
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solares fotovoltaicas mais eficientes foi possível graças aos avanços na física de
semicondutores.
O desenvolvimento da eletrônica de potência associado aos avanços tecnológicos da
microeletrônica permitiram o desenvolvimento de novos conversores de potência, mais
eficientes, robustos, com maior capacidade de potência e apresentando uma significativa
redução em seu custo.
Os Estados Unidos, a Austrália, a Holanda e a Alemanha possuem sistemas comerciais
de geração de energia elétrica utilizando energias renováveis. O Brasil já entrou para este
seleto grupo e hoje o País tem vários sistemas em operação no Ceará, em Santa Catarina, em
São Paulo e no Rio Grande do Sul que conta hoje com o maior parque eólico da América
Latina interligado ao sistema nacional. Também não se pode esquecer que várias
comunidades isoladas no País são atendidas por sistemas que utilizam painéis solares
fotovoltaicos e geradores eólicos. A presente proposta está totalmente enquadrada nesta
perspectiva, à medida que busca soluções para o atendimento de comunidades isoladas e para
permitir a conexão de fontes renováveis ao sistema interligado nacional de forma inovadora.
Do ponto de vista energético, a criação de tecnologias inovadoras e de alta eficiência,
adequadas à geração de baixa potência, é uma área pouco explorada e carente de soluções que
garantam a qualidade da energia elétrica aos usuários finais. O desenvolvimento de
conversores eletrônicos de alto rendimento responde aos anseios mundiais de aumento de
eficiência energética e à conseqüente redução de emissões de poluentes na atmosfera.
Desde o final de 2008 iniciou-se no LEPUC um projeto de pesquisa (Desenvolvimento
de Conversores de Potência voltados para o processamento de energia elétrica proveniente de
fontes renováveis) financiado pelo programa PRO-ENGENHARIAS da CAPES, do qual
participam a UNICAMP, UNESP, UFC e a PUCRS.
Metodologia
Após a adaptação ao grupo de pesquisa, foi iniciado um estudo de revisão
bibliográfica em eletrônica de potência. O material de referencia além de abordar as diversas
topologias de conversores CA-CC, CC-CC, CC-CA e técnicas de modulação PWM, etc. Em
seguida foi realizado um trabalho de re-engenharia, geração de documentação, em uma
estrutura já disponível no laboratório de modo a viabilizar a sua utilização no presente projeto,
como plataforma de desenvolvimento. Tal estrutura é composta por uma placa de isolamento
óptico de sinal e um módulo inversor de potência fabricado pela SEMIKRON®.
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Algumas estruturas alternativas de isolamento óptico foram investigadas a partir dos
acopladores óticos disponíveis no laboratório, no entanto nenhuma foi capaz de representar
uma resposta em freqüência adequada na qual a comutação dos interruptores é de 20kHz
resultante da modulação de saída do inversor.
No momento presente a fase de simulação está sendo executada. Esta etapa consiste
em estabelecer um vínculo entre o software de simulação de circuitos de potência PSIM® e o
software de controle SIMULINK®, através da ferramenta SIMCOUPLER. O objetivo do uso
da ferramenta de simulação é o de conhecer a priori o desempenho das diversas estratégias de
controle sem a necessidade de implementação física, também é necessária para validar a
estratégia de controle a ser desenvolvida no SIMULINK® já que a mesma será empregada para
programar a placa de controle digital dSPACE® que a sua vez irá comandar os transistores do
inversor.
As próximas etapas a serem desenvolvidas são: estudo e implementação de técnicas de
minimização de harmônicas, algoritmos MPPT, algoritmos PLL e lógica de proteção.
Resultados (ou Resultados e Discussão)
Os resultados tecnológicos deste projeto são de aplicação praticamente imediata em
termos de ampliação do uso de fontes alternativas renováveis de energia, permitindo a
expansão do uso de geradores eólicos de baixa potência (5 kW) para atendimento de
consumidores isolados ou em áreas com problemas de fornecimento.
O programa LUZ PARA TODOS, pode se beneficiar dos resultados decorrentes deste
projeto, como conseqüência do aumento das opções tecnologicamente viáveis para o país,
com menores custos e melhor qualidade, que auxiliem a promoção da universalização dos
serviços e o conseqüente aumento do bem-estar social.
Dado seu caráter tecnológico e social, alguns dos resultados do projeto poderão ser
repassados a empresas interessadas na produção comercial dos conversores e sistemas
desenvolvidos.
Conclusão
A participação neste projeto tem oportunizado o descobrimento e a consolidação de
vários novos conhecimentos e relações, tais como: a utilização de plataformas de
desenvolvimento de protótipos, no presente caso constituída por uma placa DSP do fabricante
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dSPACE®, a qual é programada através do programa MATLAB/SIMULINK®; o estudo das
várias técnicas de modulação PWM, incluindo as técnicas de eliminação digital de
harmônicas, as quais geralmente não são apresentadas nos cursos de graduação, pois as
mesmas são alvo dos programas de pós-graduação; o desenvolvimento de placas de circuito
impresso; a montagem de circuitos eletrônicos e o convívio com outros bolsistas de IC e de
mestrado.
Normas internacionais exigem determinados padrões de qualidade da corrente a ser
injetada na rede neste sentido é imprescindível a síntese de uma forma de onda senoidal na
saída do circuito inversor, a qual é obtida através das técnicas de modulação anteriormente
mencionadas.
O conhecer é uma jornada que nunca termina nesta certeza se espera ainda muito desta
iniciativa que aproxima professores, alunos de graduação e de pós-graduação. No trabalho
regrado de cada dia muito tenho aprendido.
Referências
POMILIO,
J.,
Apostilas
de
eletrônica
de
potência
para
pós-graduação.
Disponível
em:
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/elpot.html. Acesso em: maio. 2010
BARBI, Ivo, Eletrônica de potência. 5. ed., Florianópolis, Edição do autor. 2005.
S.R.Bowes and S.Grewal, Novel harmonic elimination PWM control strategies for three-phase PWM inverters
using space vector techniques, IEE Proc.-Elecir. Power Appl., Vol. 146, No. 5 September.
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