RESULTADOS PARCIAIS DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE
CONVERSOR CC-CC PARA APLICAÇÃO EM PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Autores: Felipe JUNG, Tiago DEQUIGIOVANI, Jessé de PELEGRIN, Marcos FIORIN
Identificação autores: Estudante de Graduação de Engenharia de Controle e Automação – Bolsista Interno, Professor
orientador IFC-Campus Luzerna, Professor colaborador IFC-Campus Luzerna, Professor colaborador IFC-Campus Luzerna.
Introdução
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 o atraso
no desenvolvimento de setor e justificam a necessidade de investimentos em pesquisa voltada
à energia fotovoltaica no Brasil.
A energia fotovoltaica é limpa, renovável e cada vez mais acessível (Braga, 2008).
Os painéis fotovoltaicos utilizados neste trabalho têm potencial de geração de energia de até
240 Wp (Watts pico) cada. Eles produzem tensão contínua de até 30 V em corrente contínua.
Para que essa energia seja compatível com a energia utilizada na rede elétrica convencional,
ela deve passar por uma série de conversões. A primeira delas é a etapa de elevação de tensão,
na qual a tensão é elevada de 15-30 V para 400 V.
O conversor CC-CC proposto realiza essa primeira etapa de conversão, produzindo
um barramento CC, que é o mesmo princípio aplicado em outras fontes de energia, como
gerador eólico e célula a combustível. A Figura 1 mostra algumas aplicações do barramento
CC, que pode alimentar cargas CC, efetuar carregamento de baterias ou alimentar cargas CA
através de um conversor CC-CA.
Figura 1 - Aplicações típicas de um barramento CC. Fonte: Adaptado de Scortegagna et al. (2014)
O objetivo do trabalho é desenvolver um conversor para fornecer uma tensão CC de
400 V em corrente contínua, a partir da tensão das placas solares instaladas no IFC - Luzerna,
constituindo um barramento CC com tensão constante.
Material e Métodos
Este trabalho é desenvolvido com base em pesquisas sobre as topologias de
conversores CC-CC mais utilizadas nas fontes de energia alternativas para que, em seguida as
definições técnicas do projeto sejam tomadas de forma que o conversor CC-CC seja
compatível com a conexão de diferentes cargas, como o conversor CC-CA e carregadores de
baterias, de forma a ser utilizada pelos consumidores de energia.
A próxima etapa consiste em construir o conversor projetado para que sua eficiência
seja testada, primeiramente, com fontes de tensão que simulam os painéis e, em seguida, o
conectado às placas fotovoltaicas instaladas.
Resultados e discussão
Topologia do conversor – CC-CC ponte completa
De acordo com a bibliografia pesquisada, os conversores isolados apresentam uma
isolação galvânica entre sua entrada e sua saída. Existem diversas topologias de conversores
isolados, entre os quais os mais conhecidos e utilizados são os conversores push-pull, meia
ponte e ponte completa. Os conversores push-pull e meia ponte, contudo, são recomendados
para aplicações onde a potência é inferior a 500 W. Já o conversor em ponte completa é
recomendado para aplicações nas quais a potência é de até 1500 W.
No IFC – campus Luzerna possui 4 placas fotovoltaicas instaladas para as quais o
conversor deve ser projetado. Essas células são conectadas em paralelo, fornecendo uma
tensão CC de até 30 V e potência total de 960 Wp.
Assim, o conversor escolhido para ser estudado e implementado é o conversor em
ponte completa. Este conversor apresenta a topologia ilustrada na Figura 2. A tensão gerada
pelas células fotovoltaicas é representada como a tensão de entrada do conversor
.
Neste conversor existem dois estágios de conversão para atingir o objetivo na relação
entre saída e entrada. Primeiramente, existe uma etapa CC-CA, onde a tensão contínua
fornecida pelo conversor é transformada em tensão alternada para alimentar o transformador.
O transformador eleva a tensão que pode então ser retificada, na etapa CA-CC.
O funcionamento correto da etapa inversora depende da elaboração de uma lógica de
acionamento das chaves S1 a S4, considerando algumas restrições como: As chaves S1 e S2
não podem, de forma alguma, ser ligadas ao mesmo tempo, pois produziriam um curto
circuito. Da mesma forma, as chaves S3 e S4 também não podem ser ligas ao mesmo tempo.
Figura 2: Topologia para conversor CC-CC em ponte completa. Fonte: Vwmin, [201-?].
Como ocorre na maioria dos conversores chaveados, a frequência de operação é
escolhida para ser na ordem de dezenas de kHz devido à redução do tamanho dos
componentes magnéticos como indutores e transformadores e também a redução dos
componentes dos filtros. Neste projeto foi adotada a frequência de 20 kHz.
Na seção seguinte é apresentada a lógica de acionamento definida para o comando
das chaves e suas formas de ondas.
Lógica de Comando
Existem algumas estratégias definidas para controlar a tensão de saída em um
conversor CC-CC tipo ponte completa. A estratégia que será utilizada neste projeto é
chamada de modulação por atraso de fase. Nessa estratégia, todas as chaves ficam ligadas por
metade do período de chaveamento. Idealmente, sempre há duas chaves conduzindo. Assim,
quando S1 e S4 conduzem, a tensão na entrada do transformador é
conduzem, a tensão na entrada do transformador é
na entrada do transformador é –
transformador é
, quando S1 e S3
, quando S2 e S3 conduzem, a tensão
e quando S2 e S4 conduzem, a tensão na entrada do
.
A tensão na saída do transformador será retificada e a tensão média será dada pela
razão do tempo em que a tensão na entrada do transformador é
e o tempo em que a
tensão é 0V. A Figura 3 mostra as formas de onda de cada uma das chaves, da entrada do
trafo e da saída retificada.
Figura 3: Formas de onda do chaveamento proposto. Fonte: Autor próprio (2015)
A tensão média de saída
onde
será descrita por:
é o número de voltas no enrolamento secundário do transformador,
voltas do primário,
é o tempo de atraso entre o chaveamento de S1 e S3 e
é o número de
é o período de
chaveamento
Definição e Projeto do Transformador
Com os dados coletados das placas solares instaladas, definem-se os parâmetros de
entrada para o cálculo e projeto do transformador do conversor CC-CC. Define-se que a
tensão mínima para que o conversor possa funcionar será de 15 V. Assim, a relação de
transformação do transformador será de
⁄
. Os demais parâmetros do
transformador são apresentados a seguir, na Tabela 1.
Tabela 1: Parâmetros calculados do transformador do conversor CC-CC.
Frequência de chaveamento
Corrente no primário
Corrente no secundário
Núcleo escolhido
Número de voltas no primário
Número de voltas no secundário
Fio adotado
20 kHz
32 A
2.4 A
NEE – 55/28/21
2 voltas, 10 fios em paralelo
54 voltas, 1 fio singular
AWG 18
Fonte: Próprio Autor, 2015
Conclusão
Este artigo apresentou as etapas trabalhadas até o momento no desenvolvimento de
um conversor CC-CC para aplicação em um sistema fotovoltaico no campus Luzerna do IFC.
O desenvolvimento do conversor proposto neste trabalho é importante para a continuação de
pesquisas voltadas à geração de energia solar no IFC – Luzerna.
As etapas concluídas apresentam resultados importantes e satisfatórios para o
cumprimento do objetivo final do trabalho.
As próximas etapas do projeto constituem em desenvolver um circuito de drive que
funcione como interface entre o microcontrolador e o conversor de potência. Em seguida, o
desenvolvimento do transformador para operar em alta frequência, a montagem do conversor
em placas de circuito impresso e, por fim, os testes e ajustes do conversor desenvolvido.
Referências
ALVES, Gustavo; MORAES, Luciano; MARAFÃO, Fernando; Serni, Paulo; SIMÕES,
Marcelo. Energia Solar no Brasil: Legislação, Políticas Públicas e Desafios para a
Instalação de Sistemas Fotovoltaicos e Termossolares. O Setor Elétrico, Ed. 104, pg 72 83, Setembro de 2014.
BRAGA, RENATA P. Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos E Aplicações. Nov. 2008.
80 pg. - Universidade Federal Do Rio De Janeiro, Escola Politécnica, Departamento De
Engenharia Elétrica. Disponível em:
<http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10001103.pdf> Acesso em: 14 mar.
2015.
SCORTEGAGNA, Renato. G.; STEIN, Carlos. M. O. ; DEQUIGIOVANI, Tiago. . A high
step-up DC-DC Interleaved Flyback Converter for DC Microgrids Applications. PCIM
South America, 2014. International Conference and Exhibition for Power Electronics,
Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, p. 306-313. Outubro de
2014.
VWMIN. Phase shifted full bridge dc-dc power converter design guide. Disponível em:
<http://www.vwmin.org/phase-shifted-full-bridge-dc-dc-power-converter-design-guide.html>
Acesso em 06 set. 2015.