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1. Pobre Pcom_S P cond D Pcond S Phucleo Po Protais P totais D P totais S Q Orr Orr_s Corrente eficaz no interruptor Corrente maxima no interruptor Corrente m dia no interruptor Maxima densidade de corrente el trica Fator de distancia dos polos e zeros do regulador tipo 3 a sua frequ ncia central Coeficiente de perdas por correntes parasitas Coeficiente de perdas por histerese Ganho do modulador Pulse Width Modulation Fator de ocupa o da janela do carretel do indutor Indut ncia Comprimento do chicote Comprimento do entreferro para cada uma das pernas laterais Comprimento m dio de uma espira N mero de espiras do indutor N mero de condutores em paralelo Efici ncia te rica das c lulas de combust vel Fase Margem de fase Perdas Joule no enrolamento Perdas de comuta o no interruptor Perdas em condu o no diodo Perdas em condu o do interruptor Perdas magn ticas no n cleo Pot ncia nominal de sa da Perdas totais no indutor Perdas totais no diodo Perdas totais no interruptor Fator de qualidade Carga de recupera o reversa m xima do diodo Carga de recupera o reversa do interruptor A A A A cm H cm cm cm 22225235 C 15 Rb Rc Reobre RDs on Ros on _corrig Ros on _norm RL Ro Rohm Rse Rsemax rt Rin cd Rin da Rin ja Rin ja max Rin jc R nucleo Scobre Se Sisolado t ta
2. dada pela Eq 4 60 Ipes pru PY dt Eq 4 60 T 0 Conhecendo a Eq 4 4 e resolvendo a Eq 4 60 obt m se a Eq 4 61 x Tyre 1 D Eq 4 61 4 3 4 C lculo T rmico dos Semicondutores Os semicondutores apresentam temperaturas limites estabelecidas pelos fabricantes Estas temperaturas n o devem ser ultrapassadas para n o inutilizar o componente Conhecidos os esfor os sobre os semicondutores necess rio o c lculo dos n veis de temperatura que esses componentes ir o atingir assim como a avalia o da necessidade de se utilizar dissipadores de calor 77 4 3 4 1 Perdas no Interruptor 4 3 4 1 1 Perdas em condu o do interruptor As perdas em condu o quando se utiliza um MOSFET como interruptor dependem da resist ncia em condu o e da corrente eficaz no mesmo Em fun o da temperatura da jun o do componente o valor dispon vel no cat logo do componente para a resist ncia em condu o deve ser corrigido atrav s da curva de resist ncia normalizada RDs on norm Assim pode se obter a resist ncia na temperatura de projeto atrav s do cat logo e utilizar o valor corrigido como mostra a Eq 4 62 Rp Lmed R Eq 4 62 DS on _corrig norm Conhecendo a resist ncia corrigida calculam se as perdas em condu o atrav s da Eq 4 63 Pd R p I Eq 4 63 corrig 4 3 4 1 2 Perdas de comuta o do interruptor As perdas por comuta
3. 48 J A Pomilio Projeto de Sistemas de Controle Linear para Fontes Chaveadas Fontes Chaveadas Cap 10 http www dsca fee unicamp br antenor J A Pom lio Modelagem de Fontes Chaveadas M todo de Inspe o Fontes Chaveadas Cap 7 http www dsca fee unicamp br antenor Datasheet Fast Eficient Plastic Rectifier FES8AT Thru FES8JT General Semicondutor Datasheet Powerex Dual IGBTMod CM150DU 12H Powerex Inc 200 Hillis Street Youngwood Pennsylvania Rodrigues Cristofer Adapta o de um Inversor Comercial para Aplica o em Ve culos El tricos ou Fontes Alternativas de Energia Monografia PUCRS julho de 2006 De Lima Danusia de Oliveira Desenvolvimento de um Modelo Promediado Aplicado a Fontes de Energia Alternativa Conectadas a Rede El trica Disserta o de Mestrado PUCRS janeiro de 2006 Lee F C Schulz S Cho B H Spacecraft Power System Compatibility and Stability for the NASA EOS Satellite Virginia Power Eletronics Conference 1992 pp 169 174 O Sullivan D M Klaassens J B van Dijk E Spruijt H J N PWM Switch Modeling of DC DC Converters IEEE Transactions on Power Eletronics Vol 10 N 6 November 1995 pp 659 665 U S DEPARTMENT OF ENERGY 2000 Fuel Cell Handbook 5 ed EG amp G Services Parsons Inc Science Applications International Corporation Dispon vel em http educar sc usp br quimapoio cell html Acesso em 25 12 2007 BOOTH D 1993 Understanding fuel cells
4. Conway B E Transition from supercapacitor to behavior in electrochemical energy storage Power Sources Symposium 1990 Proceedings of the 34th International pp 319 327 176 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Casadei D Grandi G Rossi C A supercapacitor based power conditioning system for power quality improvement and uninterruptible power supply Industrial Electronics 2002 ISIE 2002 Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on Volume 4 8 11 July 2002 pp 1247 1252 Bontour S Hissel D Gualous H Harel F Kauffmann J M Design of a parallel fuel cell supercapacitor auxiliary power unit APU Electrical Machines and Systems 2005 ICEMS 2005 Proceedings of the Eighth International Conference on Volume 2 27 29 Sept 2005 Page s 911 915 Vol 2 Thounthong P Rael S Davat B Control of fuel cell supercapacitors hybrid power sources Industrial Electronics Society 2005 IECON 2005 32nd Annual Conference of IEEE 6 10 Nov 2005 Page s 6 pp Marie Francoise J N Gualous H Berthon A Supercapacitor thermal and electrical behaviour modelling using ANN Electric Power Applications IEE Proceedings Volume 153 Issue 2 2 March 2006 pp 255 262 Kislovski A S Redl R Sokal N O Dynamic Analysis of Swtching Mode DC DC Converter Van Nostrand Reinhold New York 1992 Che
5. Os procedimentos de opera o foram estudos a partir do manual do m dulo e aplicados nesse trabalho Sendo descritos nesse cap tulo apenas o modo de opera o utilizado para o funcionamento do sistema eletr nico de alimenta o proposto 2 6 1 Instala o A instala o do m dulo foi feita no Laborat rio de Energia e Aplica es dos Gases LENAG respeitando as exig ncias de seguran a estabelecidas no manual seguiu os seguintes passos descritos abaixo 2 6 1 1 Configura o das baterias As baterias para o m dulo Independence 1000 s o fornecidas separadamente A instala o e configura o das baterias dependem se o m dulo ir operar como fonte de energia ou como carregador de baterias Para a aplica o deste trabalho ser utilizado apenas o modo fonte de energia 2 6 1 1 1 Utiliza o Como Fonte de Energia Todas as liga es de cargas e fios devem ser feitas com o Independence 1000 desligado e com todos os LEDs apagados O compartimento de baterias deve ser acessado removendo se os parafusos que seguram a tampa superior do compartimento eletr nico Este painel a tampa superior do Independence 10007 39 As baterias devem ser instaladas em s rie no m dulo conectando o fio vermelho no borne positivo da bateria na primeira posi o e no borne negativo da bateria na segunda posi o Fazendo isso nas 4 baterias elas estar o ligadas em s rie S o assim chamadas de baterias de
6. PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATOLICA DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA PROGRAMA DE POS GRADUACAO EM ENGENHARIA ELETRICA PROJETO E IMPLEMENTACAO DE UM SISTEMA DE ALIMENTACAO ELETRONICO TRIFASICO EMPREGANDO UM MODULO COMERCIAL DE CELULAS DE COMBUSTIVEL Disserta o submetida Pontif cia Universidade Cat lica do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para a obten o do grau de Mestre em Engenharia El trica Alessandro Gomes Preissler Porto Alegre Mar o de 2008 PROJETO E IMPLEMENTACAO DE UM SISTEMA DE ALIMENTACAO ELETRONICO TRIFASICO EMPREGANDO UM MODULO COMERCIAL DE CELULAS DE COMBUSTIVEL Alessandro Gomes Preissler Esta disserta o foi julgada adequada para a obten o do Titulo de Mestre em Engenharia El trica e aprovada em sua forma final pelo Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Pontif cia Universidade Cat lica do Rio Grande do Sul Fernando Soares dos Reis Dr Ing Orientador Vicente Mariano Canalli Dr Ing Daniel Ferreira Coutinho Dr Eng AGRADECIMENTOS Ao professor orientador desta disserta o Dr Fernando Soares dos Reis e aos professores Dr Vicente Mariano Canalli e Dr Jos Wagner Maciel Kaehler que demonstraram interesse pelo projeto doando muito de seu tempo no aux lio da conclus o desta disserta o Aos colegas deste projeto Henrique Simonetto Jorge Gavillon Carlos Eduardo Raposo e aos colegas do mestr
7. di Eq gt 1 D x X 4d ai I d x x dx gt Xu Dd 8 2 X DX o DR dX o ds T 1 D x Xd ius Ao substituir estes termos nas equa es Eq 5 54 e Eq 5 55 o resultado obtido o seguinte Lx 1 D x Xd Eq 5 65 Ci 1 D x X Eq 5 66 Isolando os termos das derivadas 2 X e x O resultado 31345 X mL NE 1 D x Xd C RC Eq 5 67 Eq 5 68 As equa es Eq 5 67 e Eq 5 68 s o as lineariza es das equa es promediadas Eq 5 54 e Eq 5 55 Com este sistema de equa es obt m se os valores cont nuos considerando as derivadas iguais a zero ou encontra se as fun es de transfer ncia mediante a transformada de Laplace 5 6 3 An lise do Circuito Promediado Na Fig 5 29 tem se o circuito promediado implementado no programa OrCAD Esse circuito foi implementado com base no circuito da Fig 5 26 da se o 5 5 2 Percebe se uma altera o significativa na freqii ncia de corte do conversor visto que este foi promediado O comportamento da fase tamb m foi alterado D vac 0 8222 yc 0 0 Fig 5 29 Circuito promediado do conversor elevador 125 166 188 200 300 18Hz 188Hz 1 BKHz 18KHz Fig 5 30 Resposta em freq ncia do conversor elevador promediado Para verificar o comportamento das simulag es um programa chamado Power Simulator conhecido como PSIM foi utilizado
8. o s o calculadas em fun o dos tempos em que o interruptor entra em condu o tr e do tempo que o interruptor leva para ser bloqueado tr Tamb m dependem da freqii ncia de comuta o fs e dos valores m ximos de tens o Vsmax e corrente Ismax sobre o mesmo O c lculo realizado como apresenta a Eq 4 64 27 SY P com_S rtt Vs Tom Eq 4 64 N 4 3 4 1 3 Perdas totais no interruptor 78 O total de perdas no interruptor calculado pela soma das perdas em condug o e das perdas de comuta o como apresentado na Eq 4 65 P cond S Pons Eq 4 65 totais _ S 4 3 4 2 Perdas no Diodo 4 3 4 2 1 Perdas em condu o no diodo A partir dos dados do fabricante sobre a queda de tens o direta m xima Vro e da resist ncia s rie rt o c lculo das perdas em condu o no diodo pode ser feito juntamente com os esfor os calculados no diodo A Eq 4 66 mostra como realizado o c lculo I V Lou as r Iu Eq 4 66 4 3 4 2 2 Perdas de comuta o no diodo A carga armazenada na recupera o do estado normal pode ser calculada pela Eq 4 67 O Eq 4 67 Na Eq 4 67 tr o tempo de recupera o reversa m ximo e ir a corrente reversa instant nea m xima Conhecendo o valor de pode se empregar a Eq 4 68 para o c lculo das perdas de comuta o Pn Q a Vost Eq 4 68 4 3 4 2 3 Perdas totais no diodo 79 A soma das perdas em condu o e das per
9. s 4 SkHz 1 RC 75mQ 4704F 1 DY R R 1 0 82 730 00 dps zt 4827rad s 767 L 490uH 1 R 1 DY R 1 1 0 82 2375rad 59H ENT E yl df z J490 UH 4704F _ o _ 59Hz _ i 1 O 1 SHE L C R R 490uH 4704F 73 0 Eq 5 69 Eq 5 70 Eq 5 71 Eq 5 72 Eq 5 73 zip Atrav s da an lise da Fig 5 32 com as Eq 5 39 a Eq 5 43 conclui se que o modelo implementado no PSIM o modelo promediado 5 7 Projeto do Regulador do Conversor Elevador 5 7 1 Determina o do fator K fer fer ford Fig 5 33 O fator K a partir da caracter stica de m dulo do amplificador de erro tipo 3 O fator K uma ferramenta matem tica para definir a forma e a caracter stica da fun o de transfer ncia Independente do tipo de controlador escolhido o fator K uma medida da redu o do ganho em baixas frequ ncias e do aumento de ganho em altas frequ ncias o que se faz controlando a aloca o dos p los e zeros do controlador em rela o frequ ncia de cruzamento do sistema fer Para um circuito do tipo 1 K vale sempre 1 Para o tipo 2 o zero colocado um fator K abaixo de fcr enquanto o p lo fica um fator K acima de fer No tipo 3 um zero duplo est alocado um fator K abaixo de fer e o p lo duplo K acima de fc Sendo fera m dia geom trica entre as aloca es dos zeros e p los o pico do avan o de fase ocorrer na freq ncia
10. 4 52 0 5 Conhecendo a Eq 4 3 resolvendo Eq 4 52 obt m se a Eq 4 53 I ad I med D Eq 4 53 Beg fo 4 3 3 1 4 Corrente Eficaz no Interruptor Desprezando a ondula o de corrente no indutor para simplificar o c lculo a corrente eficaz no interruptor dada pela Eq 4 54 1 1 lu ra T Eq 4 54 Conhecendo a Eq 4 3 e resolvendo a Eq 4 54 obt m se a Eq 4 55 Td VD Eq 4 55 4 3 3 1 5 Tens o Reversa M xima no Diodo Quando o diodo encontra se bloqueado a tens o reversa m xima em seus terminais a tens o de sa da m xima mais a parcela positiva da ondula o dada pela Eq 4 56 A V V ou Y Eq 4 56 Dr max omax D 4 3 3 1 6 Corrente M xima no Diodo A corrente m xima no diodo Dmax igual corrente m xima no interruptor Ismax a mesma que ILmax apresentada anteriormente na Eq 4 51 Assim tem se a igualdade da Eq 4 57 I Eq 4 57 Dmax Lmax 4 3 3 1 7 Corrente M dia no Diodo Desprezando a ondula o de corrente no indutor para simplificar o c lculo e conhecendo a Eq 4 4 a corrente m dia no diodo Dmed dada pela Eq 4 58 76 In med m Eq 4 58 Ip d T T Lmed q 5 Conhecendo Eq 4 4 resolvendo Eq 4 58 obt m se a Eq 4 59 Dod Z Tua 1 E D Eq 4 59 4 3 3 1 8 Corrente Eficaz no Diodo Para simplificar o c lculo a ondula o de corrente no indutor desprezada Assim a corrente eficaz no diodo
11. 7 5 Conclus es Neste cap tulo foram apresentados os resultados experimentais do sistema de alimenta o proposto assim como a infra estrutura montada no projeto de estudo e aplica o de c lulas de combust veis Registrou se o funcionamento das etapas de gera o pelo m dulo de c lulas de combust vel e processamento de energia pelo conversor elevador e inversor Sendo o inversor alimentado por tens o cont nua e alimentando cargas resistivas e desequilibradas o que amplia seu uso para mais que controle de motores 173 CAPITULO 8 CONCLUSOES GERAIS 174 8 CONCLUS ES GERAIS Neste trabalho foram apresentadas a an lise e simula o de um sistema de alimenta o eletr nico de baixa pot ncia 1000 W para inversores trif sicos comerciais a partir de c lulas combust veis Foi proposto um sistema eletr nico de pot ncia que realiza o controle da pot ncia el trica entregue pelo m dulo de c lulas combust vel ao inversor Utilizou se um conversor elevador para compatibilizar os diferentes n veis de tens o entre a sa da do m dulo comercial de c lulas combust veis e a entrada do inversor utilizado CFW 07 fabricado pela empresa WEG S A A sa da do m dulo de c lulas combust vel INDEPENDENCE apresenta uma tens o nominal de 48 V em corrente cont nua e o inversor requer uma tens o nominal de 270 V em corrente cont nua Foi realizada a an lise qualitativa e quantitativa de funcionamen
12. Fig 3 12 Foto do inversor alimentando l mpadas com cargas desequilibradas 57 No mesmo teste foram levantadas as formas de onda que alimentavam as lampadas conforme a Fig 3 13 pa ijv 10 1800ms Fig 3 13 Formas de onda do inversor ao alimentar lampadas Estas formas de onda diferem se quando aplica uma carga indutiva como motores pois atuam como filtros deixando a onda da corrente senoidal Neste caso as ondas est o da mesma forma variando apenas na amplitude 3 6 Conclus es O inversor trif sico CFW 07 da WEG uma alternativa de baixo custo quando se deseja ativar um motor trif sico a partir de uma rede monof sica Comprova se que poss vel alimentar este inversor por meio de uma tens o cont nua de 270 V diretamente em sua etapa retificadora interna A sa da do m dulo de c lulas combust vel possui tens o de 48 V em corrente cont nua Sendo assim para alimentar o inversor a partir deste m dulo necess ria a utiliza o de um conversor CC CC elevador No entanto varia es na tens o de entrada do conversor podem fazer com que a tens o de sa da do conversor seja alterada trazendo consigo poss veis danos ao inversor Por este motivo verifica se tamb m a necessidade de um regulador adequado a este conversor capaz
13. ID C lulas cer micas SOFC ZrO estabilizadas com Y5O a 900 205 1 6 5 Efici ncia Energ tica Diferentemente dos motores de combust o que t m sua efici ncia te rica m xima determinada pelo ciclo de Carnot a efici ncia te rica das c lulas de combust vel dada pelo quociente entre a energia livre da rea o AG pela entalpia da rea o AH 47 segundo a equa o AG 7 AH Eq 11 A efici ncia dada pela equa o acima tem uma fraca depend ncia da temperatura quando comparada efici ncia pelo ciclo de Carnot assim as c lulas de combust vel especialmente em baixas temperaturas na pr tica obt m efici ncias de 55 a 60 1 6 6 Hidrog nio o Combust vel das C lulas a Combust vel As c lulas a combust vel se destacam por gerar energia usando o hidrog nio como combust vel O hidrog nio o elemento qu mico mais simples e abundante do universo apresenta se combinado na gua H20 cidos H30 bases OH hidretos e compostos org nicos Trata se de um elemento n o poluente e abundante no universo podendo ser extra do de diversas fontes 48 como combust veis f sseis ou fontes renov veis A obten o de hidrog nio a partir de combust veis f sseis dificultada em fun o da polui o originada no intuito de se obter o combust vel limpo Com toda a preocupa o ambiental e o crescimento de sua utiliza o novos m todos de obten o d
14. comparar a tens o de sa da do conversor com a tens o de refer ncia V ref Regulador ou Compensador amplificador de erro Possibilita conduzir o sistema s especifica es requeridas e auxilia a garantir a estabilidade do sistema A diferen a entre as tens es do comparador amplificada gerando a tens o V Frequentemente inclui a fun o de comparador Modulador o elemento respons vel pela transforma o de uma tens o de controle anal gica no comando discreto equivalente que implica na produ o de um ciclo de trabalho d equivalente na entrada do conversor O sinal proveniente do Regulador usado para compor junto com uma onda dente de serra o ciclo de trabalho atrav s da modula o por largura de pulso ou PWM gerando um sinal discreto somente n vel alto ou n vel baixo Em teoria o valor m ximo que o ciclo de trabalho pode chegar de 1 e o valor m nimo de zero Esta condi o muito importante no dimensionamento do la o de realimenta o Interruptor com o sinal proveniente do Modulador funcionam como uma chave que abre n vel alto ou fecha n vel baixo permitindo ou n o a passagem de corrente Le Ws gt l Ve jj la Cre R MOD Vref uma Fig 5 1 Conversor elevador realimentado 99 5 2 Interruptor Os interruptores passivo diodo e ativo transistor dos principais conversores de corrente cont nua com mo
15. es apropriadas levam s equa es Eq 4 107 Eq 4 108 e Eq 4 109 respectivamente T PR i 25 134 Eq 4 107 Iu D 23 13A 0 82 20 6 1A Eq 4 108 Ii Linea ND 25 134 4 0 82 22 764 Eq 4 109 Visando n o apenas suportar os esfor os calculados mas tamb m minimizar perdas foi escolhido o IGBT CM150DU 12H da Powerex para ser utilizado como interruptor Esse componente apresenta baixa resist ncia de condu o provocando menores perdas de condu o Os dados do componente s o apresentados na Tab 4 5 Tab 4 5 Dados principais do IGBT CM150DU 12H da International Rectifier Especifica o Valor M xima tens o direta 600 V M xima corrente m dia Drain Tc 25 C 150 A Tempo de subida tr 350 ns Tempo de descida tf 300 ns Resist ncia de condu o m xima RDSon 10 mQ Resist ncia t rmica jun o c psula Rthjc 0 21 C W Resist ncia t rmica c psula dissipador Rthcd 0 035 C W Resist ncia t rmica jun o ambiente Rthja 62 C W 91 Fig 4 10 Interruptor escolhido 4 4 4 2 Perdas Interruptor A corre o da resist ncia em condu o do interruptor pela temperatura apresentada na Eq 4 110 que mostra a substitui o de valores na Eq 4 62 Rosi com T RDS any RDS ion nom LOMB 1 9 19mO Eq 4 110 As perdas em condu o s o calculadas com o uso da Eq 4 63 com as substitui es apresentadas na Eq 4 111 Poras
16. inicializa o O ltimo fio vermelho positivo deve ser conectado quarta bateria O fio preto negativo deve ser conectado ao terminal negativo da primeira bateria Utilizando o limpador fornecido com o adesivo sensor de temperatura das baterias a superf cie da bateria que est na primeira posi o deve ser limpa e seca O sensor de temperatura deve ser colocado com seu plano lateral virado para baixo no centro da bateria Utilizando um adesivo t rmico o sensor deve ser fixado no centro da bateria Depois de verificadas estas condi es a tampa deve ser colocada devidamente com seus parafusos de fixa o Para conseguir acesso placa de controle da unidade Independence 1000 os parafusos da tampa traseira devem ser removidos Esta tampa est localizada abaixo dos interruptores e fus veis Um conjunto de 4 chaves dispostas lado a lado numeradas de 1 a 4 deve ser localizado A chave de n mero 2 deve ser colocada na posi o OFF A chave n mero 1 utilizada para as comunica es e a de n mero 2 para o modo de opera o do Independence 1000 As chaves 3 e 4 devem permanecer na posi o OFF 2 6 1 2 Disjuntores O painel traseiro do Independence 1000 possui um grupo de tr s disjuntores Fig 2 7 e Disjuntor de carga o disjuntor de carga um dispositivo seguro que deve estar na posi o ON para a corrente fluir aos terminais CC Quando o disjuntor est na posi o OFF n o hav
17. na freqii ncia de 300 Hz que a frequ ncia de corte escolhida para o regulador Foi apresentado tamb m a resposta em frequ ncia do sistema composto pelo conversor e regulador em malha aberta onde foi observado que na freqii ncia de 300 Hz o ganho 0 dB e a margem de fase de 60 conforme o esperado Por meio da an lise em malha fechada a resposta do sistema n o apresentou sobresinal assim 155 protegendo o conversor de poss veis sobrecargas mas apresentou um comportamento extremamente lento levando aproximadamente 1 5 segundos para entrar em regime Reprojetando o regulador para apresentar margem de fase de 30 mantendo o mesmo ganho foi visto que o sistema torna se cerca de 10 vezes mais r pido para degrau de 48 V na tens o de entrada do que com o regulador projetado para apresentar margem de fase de 60 entrando em regime ap s 150ms e ainda sem apresentar sobresinal Na an lise ao degrau de carga ocorreu o contr rio onde o sistema demora mais tempo para estabilizar quando possui margem de fase de 30 do que quando possui 60 devido a realoca o dos p los e zeros do sistema pela carga Contudo nessa an lise o tempo de estabiliza o quando a margem de fase 30 de aproximadamente 100 ms ao passo que quando a margem de fase de 60 o tempo de estabiliza o de 50 ms Pelos motivos apresentados acima o regulador a ser implementado nas placas de circuito impresso deve ser do tip
18. ncia limite de varia o na entrada de 6 7 Hz Por este motivo o controle deste sistema para varia o da tens o de entrada acima de 6 7Hz faz com que a tens o de 270 V na sa da n o seja estabilizada Em todos os casos o sobresinal n o atinge 350 V protegendo assim o capacitor que possui tens o m xima de trabalho de 385 V Outro teste a ser feito o do degrau de carga Para isso no lugar da carga de 73 Q ser o colocadas duas cargas de 150 Q em paralelo resultando em 75 Q valor pr ximo a 73 Q Assim num primeiro momento a carga de 150 Q e ap s a conex o da segunda carga a carga equivalente vale 75 A Fig 5 51 mostra o circuito utilizado para tal simula o onde o regulador possui margem de fase de 60 Fig 5 51 Circuito utilizado para simular degrau de carga com um regulador com margem de fase de 60 152 O transistor colocado entre os dois resistores na Fig 5 51 serve para por as duas cargas em paralelo ap s um determinado intervalo de tempo Fazendo este transistor ligar e desligar a uma freqii ncia de 0 5 Hz sabendo que ele ir ligar ap s 1 segundo Sendo assim o teste ao degrau de carga faz com que o sistema sofra um degrau de 48 V na entrada e ap s 1 segundo sofra uma redu o da carga pela metade A resposta no tempo desse teste pode ser vista na Fig 5 52 KL Vo Vi Resposta da tens o ion A Tens o de entrada M Corrente no indutor 0 00 1 00
19. nio deve ser conectado v lvula de estrangulamento O encanamento deve ser de a o estanhado com 1 4 3 8 de di metro Uma v lvula de estrangulamento para gases inflam veis listada na UL 842 deve ser utilizada Esta v lvula deve estar localizada at 2 metros do Independence 1000 e deve ser facilmente acess vel Utilizando tubula o apropriada a v lvula de estrangulamento deve ser conectada ao m dulo Independence 1000 A conex o desta tubula o no Independence 1000 feita utilizando um conector f mea e outro macho ambos NPT 1 4 Ao realizar teste de press o maior que 0 5 psi g ao sistema de fornecimento de combust vel o m dulo Independence 1000 e a v lvula de estrangulamento devem estar desconectadas da tubula o de fornecimento de combust vel Para testes menores que 0 5 psi g o m dulo deve ser isolado do sistema de alimenta o de combust vel atrav s do fechamento da v lvula de estrangulamento Deve ser utilizado vedante anaer bico apropriado para uso com hidrog nio para todas as conex es e jun es da tubula o 37 O regulador de press o deve ser configurado para press es entre 10 psi g e 3000 psi g 4 psig a press o tima para o fornecimento de combust vel A v lvula de al vio deve ser configurada para 100 psi g fazendo a purga se realizar seguramente para fora do local A v lvula solen ide deve ser conectada a um sensor de hidrog nio e a uma ventoinha
20. tem o valor de 270 V CC Por este motivo se ajustou o valor de 270 V com um mult metro e somente ap s o ajuste foi conectada a fonte ao inversor Observou 53 se um faiscamento nos bornes do barramento CC do inversor devido r pida altera o da tens o nos capacitores Na Fig 3 6 mostrado um diagrama de blocos da inser o da fonte CC no circuito juntamente com o acoplamento dos capacitores em paralelo com o inversor M TS Font CE Inversor 30 270V SA Banco de Capacitores Fig 3 6 Diagrama em blocos do teste do retificador interno do inversor CFW 07 Com este teste verificou se que o inversor poderia ser alimentado com tens o CC de 270 V diretamente na sa da do retificador interno e que o inversor opera normalmente como quando alimentado por uma tens o monof sica CA 3 5 An lise experimental das formas de onda e do inversor PWM Neste cap tulo s o ilustradas algumas formas de onda capturadas no oscilosc pio conectado diretamente sobre os enrolamentos do motor com o intuito de medir as tensGes e correntes absorvidas A influ ncia do inversor freqii ncias harm nicas e uma breve explicag o t cnica de controle s o abordados 3 5 1 An lise das formas de onda do inversor comercial Na Fig 3 7 apresentada a forma de onda da tens o entre fases da sa da do inversor configurada em 10 Hz Nesta forma de onda poss vel verificar a baixa freqii ncia 10 Hz que a tens o sofr
21. 1 o sistema torna se inst vel nesta conexao O mesmo procedimento ser feito para a segunda conex o onde a imped ncia de sa da conversor elevador passa a ser o subsistema fonte utiliza se o mesmo circuito reposicionando a fonte de corrente alternada e o ponto de medi o como demonstrado na Fig 6 7 163 934 579439 1 0KHz 18KHz o P U R2 2 requency Fig 6 8 Imped ncia de sa da do segundo subsistema fonte conversor elevador 164 Para simular a imped ncia de entrada do inversor ser feita uma aproxima o Uma vez que a conex o ocorre no barramento CC do inversor onde existem tr s capacitores de 470 uF ser proposto que para a impedancia de entrada seja considerado apenas o paralelo destes capacitores com carga de 73 Q Desta forma foi obtida a resposta da Fig 6 7 por meio do circuito da Fig 6 6 R27 73 0 Fig 6 9 Circuito para obten o da Ze do inversor 46 EEE OIE AE DARRO CANAS ARA A DRESS SEE RE CATA 8 a DB U C23 2 1 8Hz 18Hz 188Hz 1 8KHz 18KHz 188KHz 1 OMHZ 18HHz o P U C23 2 Frequency Fig 6 10 Imped ncia de entrada do segundo subsistema carga inversor E por fim foi calculada a segunda conex o do sistema dividindo se a imped ncia de sa da do conversor elevador pela imped ncia de entrada do inversor 165 o DB U R2 2 DB U C23 2 1 8Hz 18Hz
22. 10092 1 8KHz 18KHz 100KHz 1 0MHz 18HHz o P U R2 2 P U C23 2 Frequency Fig 6 11 Tm Zs Ze da segunda conex o do sistema Para essa segunda conex o verificado graficamente um ponto de instabilidade na freq ncia de 140 Hz onde foi encontrada a condi o de m dulo igual a um e fase igual 180 Para as demais regi es o subsistema est vel e com integra o moderada 6 4 Conclus es Neste cap tulo foi apresentado o potencial de an lise dos modelos desenvolvidos nesta disserta o para o dom nio da freqii ncia obtendo por simula o as impedancias de entrada e sa da dos m dulos Uma vez que a obten o anal tica das imped ncias de entrada e sa da dos subsistemas seria bastante rdua tamb m em fun o de que um dos subsistemas comutado o modelo apresentou se importante na an lise de estabilidade do sistema Destaca se a aplica o do modelo t pico de c lulas a combust vel para a determina o de Zs que consiste em uma contribui o original deste trabalho Concluiu se que na primeira conex o o subsistema fonte c lula de combust vel possui uma integra o moderada com o subsistema carga conversor elevador Na segunda conex o o subsistema fonte conversor elevador apresentou uma regi o de estabilidade com moderada integra o com o subsistema carga inversor Nas regi es onde Tm maior que 1 tem se uma integra o mais forte 166 CAPITULO 7 RESULTADOS EXPERIMENT
23. 5 23 verifica se um esquema dos diferentes passos que se utilizam para a promedia o e lineariza o das equa es do conversor elevador 119 Equa es de Estado Promediado Aproxima o a das Equa es baixa frequ ncia eens 42 nm d 4 Equa es Continuas Circuito Linearizado 09 u2 IDE 2 2 mas N o Lineares A T gt Eta Lineariza o 4 Aproxima o a y AN f pequeno sinal 4 Circuito de Controle Equa es Linearizadas Fig 5 23 Diagrama de blocos As fun es de transfer ncia em malha fechada por controle de tens o encontradas e que mais adiante ser o demonstradas s o as seguintes Z s Admit ncia de Entrada Eq 5 44 U s Y Xs Autosucetibilidade da corrente de sa da Eq 5 45 U s Y ZA bid Eq 5 46 U s Y 2 s Z 5 Imped ncia de sa da Eq 5 47 5 6 1 Promediado das Equa es de Estado A primeira parte da an lise ser estudar o circuito em suas duas etapas de opera o Dessa forma pode se estudar seu comportamento O segundo passo ser promediar os dois estados durante uma etapa Promediar pode ser definido como fazer o promediado das equa es durante uma etapa de opera o Aplicando esta t cnica o efeito da comuta o desaparece Abaixo na Fig 5 24 o comportamento da corrente de entrada a tens o de sa da e o promediado destes dois 120 F
24. Bye ui 19mQ 22 76A 9 84W Eq 4 111 Da mesma maneira com o aux lio da Eq 4 64 s o calculadas as perdas de comuta o do interruptor como apresentado na Eq 4 112 di ik 2 t V max T max Eq 4 112 20kH 20M 350ns 300ns 280 25V 25 13A 45 78W O somat rio das perdas apresentado na Eq 4 113 conforme a Eq 4 64 totais S E P og Pons 9 84W T 45 78W 53 62W Eq 4 113 92 4 4 4 3 C lculo T rmico do Interruptor A verifica o da necessidade do uso do dissipador pode ser realizada atrav s da Eq 4 70 Desejando se que a temperatura da jun o n o ultrapasse 150 C quando a temperatura ambiente 40 C as substitui es levam Eq 4 114 c EN 55 62W totais 2 198 C W Eq 4 114 Como a resist ncia t rmica necess ria para que a jun o n o ultrapasse a temperatura desejada menor do que a resist ncia t rmica jun o ambiente do interruptor apresentada na Tab 4 5 necess rio o uso do dissipador A escolha do dissipador realizada com o aux lio da Eq 4 71 Conhecendo a Tab 4 5 e realizando as substitui es necess rias tem se a Eq 4 115 T esej E E eris dus a Ra jc E Ra ca T Eq 4 115 150 C 40 190C 40 C Q21C W 0 035C W 1 73 C W 55 62W Incluindo a resist ncia de contato c psula dissipadora o dissipador K1 1 M6 da Semikron massa aproximada de 200 g possui resist ncia t rmica de 1 6 C W atendendo ao valor calculado na Eq 4 115
25. Disserta o de mestrado UFSC Florian polis 2005 LARMINIE James DICKS Adrew Fuel Cell Systems Explained John Wiley amp Sons 2000 SERPA Leonardo A Estudo e Implementa o de Um Sistema Gerador de Energia Empregando C lulas a Combust vel do Tipo PEM Florian polis SC 2004 Disserta o de Mestrado em Engenharia El trica INEP EEL UFSC BARBI Ivo Projetos de Fontes Chaveadas Florian polis SC Edi o do Autor 2001 KIEHNE A et al Batteries Fundamentals and Theory Running Techniques Outlook Expert Verlag 1989 Motorola Rectifier Device Data MOTOROLA INC 1992 Ist Edition GEMMEN Randall S Analysis for the Effect of Inverter Ripple Current on Fuel Cell Operating Condition ASME 2001 International Mechanical Engineering Congress and Exposition New York p 576 585 Nov 2003 ERICKSON Robert W Fundamentals of Power Electronics Chapman amp Hall 1997 International Thomson Publishing Catalogo T cnico da Bateria Moura Clean ReliOn 2004 Independence 1000 Operation and Maintenance Manual Spokane Washington USA Mello Hugo G G Motores de Indu o alimentados por Inversores de Frequ ncia Autorizado pela Weg Ano 1999 Texas Instruments Understanding Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies Aplication Report March 1999 Aimtron Basic Principle of Buck Bost s d 178 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
26. My Als din DA Alt aT i ATAN 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 Time 5 L Vo Vi 350 00 300 00 L plea e ecd ce 250 00 E a A A QUAD A ee A A 20000 LE I 2 oe Resposta da tens o 180 00 a i 100 00 Tens o de entrada Corrente no indutor 50 00 M TE d C ae M dee p 0 00 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 Time s b L Vo Vi 350 00 300 00 250 00 200 00 150 00 100 00 50 00 0 00 0 00 a 10 Hz 1 00 Time 5 c Fig 5 50 Resposta de tens o de sa da para uma entrada do tipo degrau entre 43 V e 53 V a uma freqii ncia de b 5 Hz e c 1 Hz 2 00 151 Percebe se na Fig 5 50 que o regulador tenta manter o sistema em 270 V Quando a freq ncia de oscila o na entrada de 10 Hz o sistema n o tem velocidade o suficiente para entrar em regime e corrigir a tens o de sa da em 270 V por m apresenta oscila es em maior quantidade do que quando o regulador possu a margem de fase de 60 Esse efeito esperado visto que quanto menor a margem de fase maior a tend ncia instabilidade Quando a freq ncia de oscila o na entrada de 5 Hz e 1 Hz o sistema apresenta oscila o durante 150 ms entrando em regime ap s este tempo e mantendo a tens o de 270 V antes da nova troca de tens o Como o sistema entra em regime ap s 150 ms sua frequ
27. Osu Cpl p2 S mbolo C D CRI L R S Ondula o de corrente no indutor em pot ncia nominal Varia o do tempo Eleva o de temperatura do indutor Queda de tens o por perdas de ativa o Varia o da tens o no capacitor de sa da Varia o da tens o de sa da do conversor Elevador Queda de tens o por perdas hmicas Imped nica de entrada do regulador tipo 3 Imped nica de sa da do regulador tipo 3 Amortecimento Rendimento estimado do conversor Elevador Permeabilidade do ar Resistividade do fio para 100 C Constante de tempo Fregii ncia de resson ncia Fregii ncia onde a fase vale 180 Fregii ncia do zero 1 Fregii ncia do zero 2 Freqii ncia onde a magnitude OdB Fregii ncia do p lo 1 Fregii ncia do p lo 2 S mbolos Usados para Referenciar Elementos de Circuitos DS H m Q cm s rad s rad s rad s rad s rad s rad s rad s Significado Capacitor Diodo Indutor Resistor Interruptor 18 Lista de Abrevia es CA CC MCC PEM PEMFC PWM Corrente Alternada Corrente Continua Modo de Condu o Cont nuo C lula Combust vel Trocadora de Protons Pr ton Exchange Membrane Fuel Cell Modula o por largura de pulso Pulse Width Modulation CAPITULO 1 INTRODUCAO 200 1 INTRODU O 1 1 Introdu o Este cap tulo apresenta o sistema de alimenta o eletr nico pr
28. PWM est em constante movimenta o Nesta figura verifica se um aumento do per odo de amostragem Freq 2 9 95kHz RMSC2 gt 222 82V um m gt 253 2V PRINT OS Print Fig 3 10 Forma de onda da tens o com relac o a uma fase e o neutro do inversor com per odo de amostragem de 50 us div Na Fig 3 11 ilustrada uma medi o feita com a ponteira de corrente configurada para 100 mV A poss vel verificar que a freq ncia da corrente a mesma freq ncia da tens o Os picos s o resultados chaveamento dos IGBTs feita pelo PWM no circuito e provavelmente est relacionado presen a das capacit ncias parasitas entre enrolamentos 56 PRINT_04 Fig 3 11 Forma de onda da corrente entre neutro e fase para um per odo de amostragem de 500 us div 3 5 2 Testes com Cargas Resistivas Como neste projeto busca se um uso variado para a energia fornecida pela c lula de combust vel a ilumina o um dos principais usos da energia para comunidades carentes e hoje ainda n o atendidas pelas concession rias Foram feitos testes ligando l mpadas em estrela e tri ngulo constatando se o perfeito funcionamento do inversor nos dois casos quando as cargas est o equilibradas O inversor tem suas prote es acionadas quando na liga o em estrela a carga se concentra em apenas uma das fases Abaixo na Fig 3 12 a foto obtida dos ensaios onde o inversor energiza l mpadas
29. Sistema de Alimenta o 21 1 3 Objetivos da Disserta o Estudar e implementar um sistema de alimenta o eletr nico em cascata composto por um m dulo de c lulas de combust vel conversor fonte um conversor elevador processador de energia e um inversor comercial conversor carga Definir modelos computacionais aproximados das unidades Efetuar o projeto do regulador do processador de energia tendo em vista a fun o de transfer ncia do sistema integrado Obter e aproximar as imped ncias de entrada e sa da em frequ ncia das unidades Avaliar o comportamento das imped ncias e do ganho de la o do sistema Tm 1 4 Principais Contribui es do Trabalho Como principais contribui es deste trabalho tem se a O estudo e opera o pioneira no estado do m dulo de c lulas de combust vel INDEPENDENCE de 48 V e 1 kW b A adapta o e implementa o de um conversor elevador com vistas a obter um sistema de alimenta o eletr nico destinado a produzir energia trif sica 127 220V a partir do referido m dulo comercial de c lulas de combust vel c O emprego de modelos promediados no estudo das imped ncias de entrada e de sa da dos conversores bem como no projeto de reguladores d Destaca se a aplica o do modelo na determina o de Zs de uma c lula de combust vel t pica que consiste em uma contribui o original deste trabalho e Aplica es e estudo do inversor comercial com cargas desequi
30. com uma onda dente de serra a 20 kHz de mesma amplitude da tens o m xima do amplificador operacional utilizado para confec o do regulador A sa da do modulador gera uma onda de dois n veis Caso a tens o do regulador seja maior que a tens o da onda dente de serra a sa da permanece em n vel alto caso contr rio permanece em n vel baixo produzindo assim a largura de pulso necess ria para o chaveamento do IGBT O sinal da sa da do modulador vai para um driver respons vel por adequar a tens o e corrente necess rios para o disparo do IGBT Com o chaveamento do IGBT permitindo a tens o de sa da auto regulada 137 5 9 Dimensionamento dos Componentes do Regulador Analisando a resposta em freq ncia do conversor elevador verificou se que devido ao zero presente na fun o de transfer ncia deste conversor no modo de condu o cont nua na freqii ncia pr xima a 700 Hz que a freq ncia de 0 dB a fase vale 264 tornando conversor um sistema inst vel em malha fechada visto que a margem de fase negativa neste caso O regulador de tipo 3 consegue um avan o de fase de no m ximo 180 devido a sua configura o utilizar um p lo duplo e um zero duplo Por este motivo desejando utilizar uma margem de fase de 60 a freq ncia a ser escolhida deve ter no m nimo uma fase de 210 como mostra a Eq 5 122 a 6 90 60 210 90 180 Eq 5 122 Sendo a
31. da resist ncia do enrolamento que pode ser facilmente calculada com aux lio da Eq 4 33 onde lespira comprimento m dio de uma espira e p fio a resistividade do fio por cm __ P o i liate coe Eq 4 33 Mona As perdas joule no enrolamento podem ser calculadas com a Eq 4 34 P Res 3 p Eq 4 34 As perdas magn ticas s o devidas basicamente histerese A Eq 4 35 permite determinar com boa aproxima o o valor das perdas no n cleo Onde Kn o coeficiente de perdas por histerese Kr o coeficiente de perdas por correntes parasitas e Vn cleo o volume do n cleo P n cleo K f K f V n cleo Eq 4 35 O total de perdas no indutor pode ser calculado pela Eq 4 36 2912 S Det Dus Eq 4 36 A resist ncia t rmica do n cleo calculada atrav s da Eq 4 37 Rt 23 AA 7 Eq 4 37 A eleva o de temperatura do indutor pode ser obtida pela Eq 4 38 AT Pus Ries Eq 4 38 4 3 2 Dimensionamento do Capacitor 4 3 2 1 C lculo da Capacitancia O valor da capacit ncia de filtragem determina a ondula o de tens o na sa da do conversor 4Vo A seguir mostrada a rela o Eq 4 39 conhecida para o capacitor C dvo t Ico o dt Eq 4 39 Para elevadas frequ ncias de comuta o pode se utilizar a Eq 4 40 AV ic C A Eq 4 40 Observando a Fig 4 4 verifica se que durante a primeira etapa de opera o a corrente do capacitor alimenta a carga
32. de ventila o acionando o circuito de seguran a dentro do pr dio O sistema de fornecimento de hidrog nio deve ser aterrado para prevenir ac mulo de correntes el tricas no sistema Fora do pr dio Dentro do pr dio Regulador de press o V lvula de v lvula Adaptador de amp Orificio Solen ide v lvula de alta press o A de fluxo esfera manual C lula V lvula 1 Combustivel de alivio l V lvula de verifica o 1 C lula t Montagem I Combustivel LEGENDA Regulador de press o O x x V lvula solen ide V lvula esf rica de Dex 90 graus V lvula de al vio Cil ndros de Hidrog nio de O E Alta Press o No V lvula de teste Fig 2 6 Sistema de fornecimento de hidrog nio 2 5 3 Manuseio do hidrog nio O hidrog nio um g s inflam vel Para prevenir inc ndios e explos es chamas ou sistemas de igni o devem estar longe deste g s O manuseio de hidrog nio deve ser feito de acordo com as normas seguras para movimenta o e manuseio deste g s seguindo normas locais estaduais e nacionais O cilindro deve ser transportado por um caminh o que siga as normas A transportadora deve colocar o cilindro no local onde este ser usado prevenindo assim quedas 38 acidentais O cilindro deve ser montado com uma v lvula de estrangulamento como a fornecida junto com esta unidade 2 6 Procedimento de Operac o do M dulo INDEPENDENCE
33. de corte o que melhora a margem de fase Como os dois p los e os dois zeros est o juntos a eleva o de fase que este tipo de amplificador pode proporcionar na freq ncia de corte 128 El 2 arctg wa 2 arctg We 2 sR Simplificando resulta El 2 arctg VK 2 arctg UE O valor de K para uma dada eleva o de fase se deduz utilizando uma trigonom trica arctg x arctg B 90 x Assim arctg VK arctg 90 VK resultando arctg UE 90 arctg VK que substitu da na Eq 5 70 permite calcular um K para uma eleva o requerida El 2 arctg VK 2 90 arcte VK realizando a multiplica o El arctg NR 180 isolando o termo Eq 5 74 Eq 5 75 rela o Eq 5 76 Eq 5 77 Eq 5 78 Eq 5 79 Eq 5 80 129 4 arctg K El 180 resulta em E 0 arcte VK Aplicando a fun o inversa 0 LENT 4 4 resulta o valor para um c lculo em graus eite que com os argumentos em radianos resulta Ela 45 0 yel pem 20 180 4 180 5 7 2 Determina o do valor de R Realizando agora o amplificador de tipo 3 a partir do gr fico da Fig 5 39 que Puce a partir da Eq 5 30 Eq 5 81 Eq 5 82 Eq 5 83 Eq 5 84 Eq 5 85 Eq 5 86 Eq 5 87 130 Igualando Eq 5 81 e Eq 5 82 a 1 VK 27 CiR gt Obt m se o valor de 2 Cr fo 5 7
34. de dois ou mais capacitores em paralelo elevando a capacidade de corrente e ao mesmo tempo reduzindo a resist ncia s rie equivalente metade ou menos Com os componentes escolhidos os c lculos de perdas e eleva o de temperatura resultaram em valores abaixo dos limites estabelecidos 96 CAP TULO 5 ESTUDO DO LACO DE REGULACAO DO CONVERSOR ELEVADOR 97 5 ESTUDO DO LA O DE REGULA O DO ELEVADOR 5 1 Considera es Iniciais a Respeito dos Reguladores O conversor elevador projetado no Cap 4 operando em MCC e a uma fregii ncia de 20 kHz com um ciclo de trabalho de 0 82 faz com que a tens o de entrada de 48 V que a tens o de sa da do m dulo INDEPENDENCE seja elevada para 270 V que a tens o de entrada do inversor CFW 07 Varia es na tens o de entrada fazem com que a tens o de sa da n o seja constante variando proporcionalmente com a tens o de entrada No Cap 2 demonstrou se que a tens o de 270 V na entrada do inversor quando modificada faz com que o inversor n o funcione adequadamente Para permitir que na sa da do conversor elevador tenha se sempre dispon vel uma tens o de 270 V para uma varia o de 10 no valor da tens o de entrada ou seja com a tens o de entrada variando entre 43 V e 53 V o conversor elevador precisa ser auto regulado A auto regula o faz com que o ciclo de trabalho seja alterado mantendo o conversor operando no MCC e na fregii ncia pr definid
35. e a tens o sobre o capacitor a tens o de sa da Sendo assim pode se reescrever a Eq 4 40 e obter a Eq 4 41 1506 67 Eq 4 41 72 Conhecendo as Eq 4 1 Eq 4 3 substituindo na Eq 4 41 resulta na Eq 4 42 D I 4 42 AV T A corrente de carga fo dada pela Eq 4 43 l Eq 4 43 4 3 2 2 Resist ncia S rie Equivalente M xima Um capacitor real apresenta uma resist ncia interna n o idealidade que n o deve ultrapassar certo valor pois este pode gerar uma ondula o de tens o maior do que a esperada A resist ncia interna m xima Rse do capacitor dada pela rela o entre a ondula o de tens o m xima no capacitor e a ondula o de corrente m xima no capacitor No caso do conversor elevador tem se a Eq 4 44 Rse 4 44 4 3 2 3 Corrente Eficaz Para a escolha do capacitor tamb m necess rio conhecer a corrente eficaz m xima sobre o mesmo Sabendo que o valor m dio da corrente em um capacitor nulo pode se escrever a Eq 4 45 AY Drs deos ao Eq 4 45 0 279 Na Eq 4 45 Io representa o valor da corrente no capacitor na primeira etapa de opera o e Ico 2 representa o valor da corrente no capacitor na segunda etapa de opera o Em ambos os casos a ondula o de corrente no indutor desprezada Resolvendo a Eq 4 45 e conhecendo as equa es Eq 4 3 e Eq 4 4 tem se a corrente no capacitor na segunda etapa apresentada
36. fios condutores O n mero de condutores pode ser calculado atrav s da Eq 4 29 Atrav s das Eq 4 26 Eq 4 27 e Eq 4 28 pode se fazer a escolha da bitola do condutor S Mona EX Eq 4 29 cobre O resultado da Eq 4 29 deve ser arredondado para cima para um valor inteiro A rea ocupada pelos enrolamentos dada pela Eq 4 30 N Mona S isolado Aw min Eq 4 30 k q w Na Eq 4 30 ncona o n mero de condutores no chicote e Sisotado cm a rea da se o de cada fio com isolamento O projeto pode ser executado se a rela o entre a rea ocupada pelos enrolamentos e a rea dispon vel na janela for menor ou igual unidade Dessa maneira a Eq 4 31 deve ser respeitada Aw min lt 1 Eq 4 31 Aw Caso n o seja poss vel construir o enrolamento na janela dispon vel devem se ajustar os par metros Bmax Jmax Nmax OU ainda escolher outro n cleo 10 4 3 1 3 C lculo T rmico do Indutor Devido s nao idealidades t m se perdas no indutor As perdas totais s o compostas de perdas no cobre efeito Joule e perdas magn ticas ou perdas no n cleo Tais perdas geram aquecimento e consequentemente uma determinada eleva o de temperatura do indutor acima da temperatura do ambiente ao qual este est submetido Conhecendo os dados do condutor escolhido o comprimento do chicote dado pela Eq 4 32 Padi Lies N Eq 4 32 As perdas no cobre dependem diretamente
37. metros que indicavam uma corrente de 4 05 A e tens o de 277 V Os primeiros testes tiveram a inten o de verificar a atua o do regulador com uma brusca varia o da tens o de entrada como pode ser visto na Fig 7 3 72 07 Agilent Technologies Tens o de sa da Tens o de entrada AKE Ser Avg 2 277 70V E I Fig 7 3 Degraus de tens o da entrada 53V 48V e 43V Na figura FIG 7 4 foi verificada tens o da sa da com degraus positivos da tens o de entrada lt Agilent Technologies Tens o de sa da Tens o de entrada Fig 7 4 Degraus de tens o da entrada 43V 48V e 53V 170 Os pr ximos testes visaram verificar a resposta do conversor com a varia o da carga Para melhor visualiza o optou se por utilizar a ponteira de corrente do oscilosc pio na sa da do conversor e manteve se a monitora o da tens o de sa da do conversor Os degraus de carga aplicados foram partindo de 50 4 l mpadas depois aplica se o primeiro de degrau acionando um interruptor onde 2 l mpadas a mais s o ligadas que representam 25 da carga e por fim outro degrau de mais 25 onde se atinge o valor nominal de projeto do conversor Agilent Technologies NN Amplia o Fig 7 5 Degraus de carga 50 75 e 100 com 43 V na entrada Para as mesmas condi es acima foram aplicados degraus reduzindo a carga aplicada ao conversor como pode ser visto na Fig 7 6 Agilent Techno
38. na Eq 4 46 o D I 9 I Eq 4 46 C2 1 p q A corrente eficaz no capacitor dada pela Eq 4 47 Eq 4 47 Substituindo as equa es Eq 4 3 Eq 4 4 e Eq 4 46 na Eq 4 47 e desenvolvendo pode se obter a Eq 4 48 E Ra een Eq 4 48 Log q NG 1 1 Eq 4 49 4 3 3 Dimensionamento dos Interruptores 4 3 3 1 Esfor os nos Semicondutores Para que os semicondutores n o queimem ou n o se rompam necess rio o correto dimensionamento destes do indutor e do capacitor por meio de c lculos dos esfor os sobre esses elementos O equacionamento necess rio antes da etapa de projeto apresentado a seguir 74 4 3 3 1 1 Tens o M xima no Interruptor Quando o interruptor encontra se bloqueado a tens o m xima em seus terminais a tens o m xima de sa da somada metade do valor da ondula o no capacitor E dada pela Eq 4 50 AV Vou m Vau t Eq 4 50 Ss max omax 2 4 3 3 1 2 Corrente Maxima no Interruptor A corrente m xima atrav s do interruptor igual corrente m xima do indutor que igual corrente m xima no diodo Assim conhecendo a corrente m xima do indutor Ir max conforme a Eq 4 20 tem se a Eq 4 51 IL max Eq 4 51 4 3 3 1 3 Corrente M dia no Interruptor Desprezando a ondula o de corrente no indutor para simplificar o c lculo e conhecendo a Eq 4 3 a corrente m dia no interruptor Ismea dada pela Eq 4 52 1 to T ud T Ia dt Eq
39. o la o de regula o do sistema Considerando o conversor elevador funcionando no modo de condu o cont nua ser apresentado o modelamento promediado deste conversor com suas respectivas equa es Os componentes do sistema de regula o s o explicados neste cap tulo onde tamb m definido o modelo de simula o do sistema integrado O sexto cap tulo apresenta o estudo da estabilidade de um sistema eletr nico iniciando com a an lise em frequ ncia do conversor elevador Com base na resposta definido e dimensionado um regulador capaz de proporcionar a estabilidade em malha fechada A resposta em malha aberta do sistema composto pelo conversor e regulador analisada com vistas a analisar a estabilidade do sistema No s timo cap tulo apresentam se as conclus es gerais sobre o estudo 203 1 6 Revis o Bibliogr fica Neste item apresentada uma revis o bibliogr fica sobre o tema com o objetivo de situar o leitor e embasar o estudo realizado 1 6 1 C lulas a Combust vel As c lulas a combust vel s o dispositivos 47 que convertem energia qu mica em eletricidade e energia t rmica Utilizando o hidrog nio como combust vel este reage com o oxig nio produzindo eletricidade calor e gua Trata se portanto de uma energia limpa livre da emiss o de CO As c lulas a combust vel produzem energia em corrente cont nua atrav s de um processo eletroqu mico Para se obter a tens o e pot nc
40. seen 101 Fig 5 7 Tens es instant neas e m dias entre os terminais a e p em fun o do tempo 102 Fig 5 8 Tens es instant nea e m dia entre os terminais c e p em fun o do tempo esses 102 Fig 5 9 Tens es instant neas e m dias entre os terminais a e c em fun o do tempo 102 Fig 5 10 Conversor redutor com filtro de entrada 103 210 Fig 5 11 Representa o do interruptor PWM em regime permanente eese nennen 104 Fig 5 12 Interruptor PWM em regime permanente 104 Fig 5 13 Modelamento do te e ei eerte ti ee E a db o 106 Fig 5 14 Caracter stica que se utiliza no modelamento do modulador eee 106 Fig 5 15 Aproxima o linear de um sistema n o linear eese ener nennen 107 Fig 5 16 Compensador tipo 1 e sua resposta em freqii ncia fc 100Hz Fase 90 e 108 Fig 5 17 Compensador tipo 2 e sua resposta em fregii ncia f e f EOAkHZ vanae eere eee 109 Fig 5 18 Amplificador de erro do tipo 3 sse eeo 110 Fig 5 19 Resposta em freq ncia da magnitude azul e fase verde do compensador tipo 3 sss 110 Fig 5 20 Esquem tico do est gio de pot ncia do conversor elevador seen 114 Fig 5 21 Interruptor PWM para MCC em CC e pequeno sinal eese eene nennen re
41. 00 Hz implementado com os componentes da Tab 5 2 149 Fig 5 48 Circuito do sistema de alimenta o eletr nico em malha fechada com margem de fase de 30 A resposta em malha fechada deste sistema pode ser vista na Fig 5 49 O efeito de sobresinal foi eliminado assim como quando usada uma margem de fase de 60 por m a estabiliza o do sistema tornou se mais r pida O sistema com margem de fase de 60 estabiliza se por volta dos 1 5s enquanto com margem de fase de 30 estabiliza se em um tempo aproximadamente 10 vezes menor cerca de 150 ms Vi IL 300 00 250 00 200 00 150 00 100 00 50 00 0 00 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 Time s Fig 5 49 Resposta de tens o de saida com margem de fase de 30 Admitindo que o sistema sofra uma varia o de 10 na tens o de entrada V variando entre 43 V e 53 V a sa da deve permanecer constante em 270 V A Fig 5 50 apresenta o comportamento a uma onda quadrada na entrada para uma varia o de tens o entre 43 V e 53 V a uma freq ncia de 10 Hz 5 Hz e 1 Hz 150 KL Vo Vi 350 00 300 00 p L 250 00 f Y qo ay a LEA 0 tee 200 00 ees E nonse cq CMA Resposta da tens o lt 10000 5 Tens o de entrada Corrente no indutor 50 00 s as E P densi E s P SM mM mem Mm Nom MET Ba
42. 2 00 3 00 4 00 Time 5 Fig 5 52 Resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 60 Ampliando a Fig 5 52 no tempo de 3 segundos que o tempo no qual a carga equivalente passa a valer 75 KO Vo Vi CE Ma MI IET Tens o de entrada 4 ee A rr ES 400 00 Tens o de entrada eee D Corrente no indutor 50 00 0 00 s 2 3 00 3 05 3 10 bes Time s Fig 5 53 Amplia o da resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 60 Fazendo o mesmo teste para o regulador que possui margem de fase de 30 e fazendo o transistor ligar e desligar a uma freq ncia de 1 0 Hz sabendo que ele ir ligar ap s 0 5 153 segundos A fregii ncia foi aumentada porque com o regulador com margem de fase de 30 o sistema responde mais r pido ao degrau de 48 V na entrada Fig 5 54 Circuito utilizado para simular degrau de carga com um regulador com margem de fase de 30 Sendo assim o teste ao degrau de carga faz com que o sistema sofra um degrau de 48 V na entrada e ap s 0 5 segundos sofra uma redug o da carga pela metade A resposta no tempo deste teste pode ser vista na Fig 5 55 Vi Vo 300 00 250 00 200 00 Resposta da tens o 150 00 400 00 Tens o de entrada Corrente no indutor 50 00 0 00 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 Time s Fig 5 55 Resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com marg
43. 3 328 45cm 2 70 C W Eq 4 101 n cleo Por fim a eleva o de temperatura do indutor obtida atrav s da Eq 4 38 como mostra a Eq 4 102 AT P 719W 2 70 C W 51 Eq 4 102 nicleo Fig 4 8 Indutor confeccionado 88 4 4 3 Dimensionamento do Capacitor Para todos os crit rios apresentados a seguir o capacitor deve ter uma tens o nominal acima da tens o m xima de sa da do conversor 4 4 3 1 C lculo da Capacit ncia O valor da capacit ncia pode ser obtido substituindo na Eq 4 42 os valores de projeto como mostra a Eq 4 103 D 1 _ 0 82 3 70A AVS f 500mV 20kHz 303 uF Eq 4 103 Como se deseja obter uma ondula o menor que 500 mV optou se pela escolha de um capacitor de 470 uF 4 4 3 2 Resist ncia S rie equivalente M xima A resist ncia s rie equivalente m xima calculada atrav s da Eq 4 44 A substitui o dos valores apresentada na Eq 4 104 AV _ 500mV RSC nax i I 25 13A 19 90mQ Eq 4 104 Lmax 4 4 3 3 Corrente Eficaz A corrente eficaz no capacitor pode ser calculada atrav s da Eq 4 48 Substituindo os valores tem se a Eq 4 105 89 D 2 Io 471 ID 3 70 7 904 Eq 4 105 Assim de maneira atender os tr s crit rios citados foi escolhido uso de um capacitor eletrol tico B43501 53477 M31 da SIEMENS A associa o de dois capacitores em paralelo resulta na metade da resist ncia e no
44. 3 Determina o do valor de C Considerando se as freq ncias Sp 1 f cr VK se assume como conhecido e resulta da Eq 5 84 1 fp LM 2m Rs C5 Igualando a Eq 5 85 e Eq 5 86 1 fa NK gt 27 R3 C3 Isolando C3 em Eq 5 87 1 2 2z AK Rs f Eq 5 88 Eq 5 89 Eq 5 90 Eq 5 91 Eq 5 92 Eq 5 93 131 5 7 4 Determina o do valor de C Assumindo fp fp fa NK A partir de Eq 5 81 se deduz se que 1 SP 27 C C Le CI C igualando a Eq 5 89 a Eq 5 90 resulta fi VK ie 56 Ja Cit C Substituindo R da Eq 5 84 em Eq 5 91 se deduz que de f cre VK Ci tC 2 fa com as simplifica es resulta em K C Ci C2 isolando os t rminos em C gt Eq 5 94 Eq 5 95 Eq 5 96 Eq 5 97 Eq 5 98 132 C KC Eq 5 99 resulta em C K 1 C Eq 5 100 5 7 5 Determina o do valor de e A partir da Fig 5 39 encontra se Fa Le Eq 5 101 VK Da fun o de transfer ncia da Eq 5 30 f 1 7 Eq 5 102 27 Rit R5 Cs 3 Substituindo Eq 5 88 e Eq 5 96 em Eq 5 97 resulta Je 1 i 1 VK 22 Ri Ry Eq 5 103 27 NK R f simplificando a Eq 5 98 K R 1 Eq 5 104 JK R R resultando 133 R R K R isolando R em fun o de e de R K R R evidenciando R K 1 R O
45. AIS 167 7 RESULTADOS EXPERIMENTAIS 7 1 Introdu o Os resultados aqui apresentados s o produtos do projeto Estudo e Aplica es de C lulas de Combust vel na Gera o de Energia patrocinado pela ANEEL e CEEE no ciclo de 2004 foram obtidos nos laborat rios da PUC RS Inicialmente foram levantadas no LEPUC as formas de onda do conversor elevador utilizando uma fonte de tens o cont nua para simular degraus de tens o e de carga Ap s o teste experimental do conversor o sistema foi montado no LCEE e LENAG que tamb m um resultado do projeto sendo alimentado pela c lula a combust vel e a carga ligada a partir do inversor 7 2 Infra estrutura do Hidrog nio Para uso seguro das c lulas foi criado o Laborat rio de Energia e Aplica o de Gases LENAG implantado no subsolo do bloco D do pr dio n 30 do Campus Central da Pontif cia Universidade Cat lica do Rio Grande do Sul em Porto Alegre com o aux lio da Divis o de Obras da PUCRS e a supervis o do Setor de Seguran a e Medicina do Trabalho SESMT A rea do laborat rio de 14 1 m O LENAG disp e de quatro capelas para gases com vistas realiza o de teste de equipamentos As capelas t m a fun o de promover a exaust o de gases dos experimentos nela realizados para fora do ambiente de trabalho As capelas instaladas no LENAG s o similares s utilizadas nos laborat rios da Faculdade de Qu mica da PUCRS Em cada capela existem pontos de
46. Fig 4 2 Primeira etapa de opera o do conversor elevador esee eene nennen enne 60 Fig 4 3 Segunda etapa de opera o do conversor elevador esee eene 60 Fig 4 4 Principais formas de onda do conversor elevador em condu o 61 Fig 4 5 Caracter stica est tica do conversor elevador esee ener trennen rennen ene 63 Fig 4 6 Ondula o da corrente parametrizada AIL variando Vi Vimax como par metro eese 65 Fig 4 7 Nucleo e carretel do tipo E E uice eie tete d Pte e Ee se e eR eee ER ee ge va Rad 66 Fip 4 8 Indutor confeccionado ses ec e e eh e e tag e ee E Re E OR e EU ER e ias 67 Fig 4 9 Capacitor escolhido a nee e tt eae i e e n teen HUE deco s eR ETE ER ee 89 Fig 4 10 Interruptor escolhido i eee doado a id iaa 91 Fig 4 11 Diodo escolhido i tne ie ls dietas 94 Fig 5 1 Conversor elevador realimentado ees eee de i rene c aie ies 98 Fig 5 2 Diagrama de blocos do interruptor PWM 99 Fig 5 3 Interruptor PWM no modelamento de conversores esses eene eene nennen trente 100 Fig 5 4 Correntes instant neas e m dia no terminal em fun o do tempo 101 Fig 5 5 Corrente instant nea e m dia no terminal a em fun o do tempo seen 101 Fig 5 6 Corrente instant nea e m dia no terminal p em fun o do tempo
47. Home Power USA n 35 37 40 June July Benemann J R 1996 Hydrogen biotechnology progress and prospects Nat Biotechnol 14 1101 1103
48. Independence 1000 2 5 Informa es de Seguran a Regras espec ficas e seguras para precau o devem ser seguidas quando for instalado o Independence 1000 1 Deve ser utilizado somente com o g s compat vel com esta unidade 259502 2 Deve ser instalado somente em um local mantido limpo livre de materiais combustiveis insola o gasolina e vapores e l quidos inflam veis 3 Deve ser fornecido adequado processo e ventila o ao m dulo 4 Efluentes devem ser descarregados ao exterior Todas as reas externas que expelem gases da unidade devem estar limpas e livres de obstru es 5 Nunca deve ser testado vazamento de g s com uma chama acesa Deve ser utilizada uma unidade de detec o de hidrog nio 6 O m dulo n o deve ser utilizado para gerar energia tempor ria a pr dios ou estruturas em constru o Caso seja detectado ou haja suspeita de vazamento de g s n o deve ser ligado nenhum dispositivo emissor de luz assim como n o deve ser acionada nenhum interruptor Telefones ou celulares tamb m n o devem ser utilizados Como uma unidade de gera o de energia o Independence 1000 n o deve ser utilizado dentro ou perto da gua Antes de conectar a unidade a um circuito na sua sa da deve se ter certeza de que a unidade est desligada Para a preven o de descargas est ticas deve ser aterrado tanto o sistema de alimenta o de g s hidrog nio como o m dulo Independence 1000 de
49. MW 24 1 6 8 C lulas a Combust vel Trocadora de Pr tons PEMFC Quando comparada a outras c lulas a combust vel a PEMFC apresenta alta densidade de pot ncia al m de baixo peso e volume Essa tecnologia necessita apenas de hidrog nio e oxig nio proveniente do ar para operar Para as aplica es deste projeto ser utilizado um m dulo de c lulas tipo PEM cujo funcionamento pode ser melhor entendido e visualizado na Fig 1 2 Anodo C todo O Oxig nio vindo do H Hidrog nio Exaustor vindo do Tanque H O y Fig 1 2 Detalhe do Funcionamento da C lula a Combust vel PEM Corrente El trica zT O hidrog nio chega c lula atrav s de tubula o de a o inox a pureza especificada pelo fabricante de 99 95 o que preserva a membrana de contamina es No nodo da membrana os el trons do hidrog nio s o direcionados para a carga Enquanto os pr tons cargas positivas formadas pelos ons hidrog nio sem os el trons 2H atravessam a membrana no c todo o hidrog nio volta a receber os el trons e ao ser exposto ao oxig nio do ar forma part culas de gua que s o expelidas pelo exaustor A rea o qu mica que ocorre no nodo descrita pela seguinte equa o 2H 52H 2e Eq 1 2 No c todo a mol cula de oxig nio O quebrada reagindo com o hidrog nio e os el trons formando energia el trica gua e calor T 2H 2e H O Eq 1 3 Dora 2 q Isto representa u
50. NAL REDE 20 20 VOE 380 480 V 934 A RIVERS MEDI O FONTES CART O DE POT NCIA wee NEM RIA EEPROM ENTRADAS MCROOONTROLADOR DIGITAIS O A REL pn D4 i 11 RLZ i 1 i i H ENTRADAS 1 SADA ANAL GICAS ANALOGICA n AZ E i AM i i 1 i i i CART O DE CONTROLE Fig 3 1 Diagrama de blocos do inversor CFW 07 da WEG 50 A inten o realizar assim um controle simples e preciso da tens o e pot ncia de entrada do inversor trif sico permitindo que a sua alimenta o seja proporcionada por uma fonte cont nua com isso haver necessidade apenas do inversor conversor e o m dulo de c lulas combust vel 3 4 An lise do Inversor para Alimenta o CC 3 4 1 Adapta o do Inversor WEG CFW 07 A adapta o do inversor comercial CFW 07 tem como objetivo converter uma tens o cont nua em tens o alternada utilizando o pr prio inversor juntamente com um conversor elevador O inversor usado possibilitou efetuar de forma simples grande parte do prop sito Em suas entradas anal gicas foi utilizado e estudado um controle remoto da frequ ncia do motor Com acesso ao retificador foi injetada uma tens o de entrada CC Fazendo uso de uma fonte e alguns capacitores para estabilizar a tens o foi poss vel aplicar essa tens o tendo como resultado a opera o do inversor Um conversor elevador proposto uma vez que o objetivo do experimento obter ten
51. SOR FONTE FORMADO PELO M DULO COMERCIAL DE C LULAS A COMBUST VEL INDEPENDENCE 2 Introdu o Neste cap tulo ser apresentado o m dulo comercial de c lula de combust vel Independence 1000 O estudo feito de seu manual 33 para atender os n veis de seguran a de operac o preservando operadores e o equipamento Nas quest es de seguran a ressaltam se a volatilidade do hidrog nio sendo explosivo caso manuseado em ambientes confinados onde sua concentra o extrapole os limites seguros as caracter sticas operacionais da c lula caso ligada para carregar bancos de baterias ou alimentando diretamente a carga E por fim os resultados dos ensaios feitos no m dulo a partir deste estudo 22 M dulo Independence O Independence 1000 um modulo de c lula combust vel de 1 kW Cada sistema de 1 kW pode ser combinado em paralelo com at outros quatro sistemas oferecendo uma pot ncia m xima de 5 kW na sa da Exaust o de ar mido ES d Freie Corrente cc Independence Regulador 4000 Usuario Ar Ambiente Sistema de alimenta o de Hidrog nio Fig 2 1 Configura o para gera o de energia nara Como mostrado na Fig 2 1 em uma configura o t pica o Independence 1000 alimentado com g s hidrog nio industrial padr o O Independence 1000 fornece pot ncia CC na tens o nominal de 48 v O Independence 10007M utiliza hidrog nio infl
52. Ta tc tf desej T final tr trr Resist ncia de polariza o do regulador tipo 3 Resist ncia do Capacitor Resist ncia do enrolamento Resist ncia de condu o do interruptor Resist ncia de condu o do interruptor corrigida para a temperatura de opera o Fator de corre o da resist ncia de condu o do interruptor Resist ncia do indutor Resist ncia de carga Resist ncia de perdas hmicas Resist ncia s rie equivalente Resist ncia s rie equivalente m xima do capacitor Resist ncia s rie do diodo Resist ncia t rmica c psula dissipador Resist ncia t rmica dissipador ambiente Resist ncia t rmica jun o ambiente Resist ncia t rmica jun o ambiente m xima Resist ncia t rmica jun o c psula Resist ncia t rmica do n cleo rea de cobre da se o do fio rea de se o do condutor necess ria rea da se o do fio com isolamento Tempo Per odo de tempo em que o interruptor est bloqueado Temperatura ambiente Per odo de tempo em que o interruptor est em condu o Tempo de bloqueio do interruptor Temperatura de jun o m xima desejada Temperatura final da jun o Tempo de entrada em condu o do interruptor Tempo de recupera o reversa m ximo do diodo soca 5 s s C s s C C s s 16 Ts VCo Vcomp Vpr max Ve Vequal vi Vi Vint Vi ond max Vimax Vimin
53. Tab 4 3 Dados do fio de cobre AWG25 Especificagao Valor Di metro da se o do fio dcobre 0 046 cm lt dmax OK Area de cobre da se o do fio Scobre 0 0016 cm2 Resistividade do fio para 100 C prio 0 001 10 cm O numero de condutores em paralelo calculado atrav s da Eq 4 29 Substituindo os dados da Eq 4 88 e da Tab 4 3 resulta na Eq 4 91 S 0 10cm 0 0016cm 62 50 63 Eq 4 91 ong S cobre A rea ocupada pelos enrolamentos na janela apresentada na Eq 4 92 com a substitui o dos valores na Eq 4 30 Foi admitido que a rea do fio de cobre isolado possu sse 0 0048 cm de rea transversal Ninus 13 63 0 0048cm AW pig tees k 0 4 w cond isolado __ 9 83cm Eq 4 92 Dividindo a rea ocupada pelos enrolamentos pela rea da janela do carretel verifica se a possibilidade de execu o desse projeto como mostrado na Eq 4 93 min Aw 10 26cm AV in _ 9 83cm 0 96 Eq 4 93 Como o resultado da Eq 4 93 menor do que um ou seja o AWmin menor que o Aw de projeto o indutor pode ser confeccionado A pr xima etapa do projeto o c lculo t rmico do indutor 86 4 4 2 3 C lculo T rmico do Indutor O comprimento do chicote calculado substituindo os valores na Eq 4 32 como mostra a Eq 4 94 Lico Lc N 21 83cm 38 829 54cm Eq 4 94 chicote Utilizando a Eq 4 33 e inserindo nela os valores da
54. Utilizando esse dissipador a temperatura da jun o obtida calculada com o aux lio da Eq 4 72 como apresentado na Eq 4 116 T j final R R th da i Pads IE T Res th_cd Eq 4 116 40 C 0 21 C W 16 C W 55 62W 141 C Assim obt m se temperatura abaixo do limite estabelecido 4 4 5 Dimensionamento do Diodo A tens o m xima no diodo dada pela Eq 4 56 A substitui o dos valores apresentada na Eq 4 117 93 Vou V 280 25V Eq 4 117 As correntes m xima m dia e eficaz no diodo s o dadas pelas equa es Eq 4 57 Eq 4 59 e Eq 4 61 respectivamente As substitui es apropriadas levam s equa es Eq 4 118 Eq 4 119 e Eq 4 120 respectivamente 1 ase Tiu 25 13A Eq 4 118 bo 5 1 D B 25 13A 1 0 82 4 52A Eq 4 119 ined NI1 D 25 13A 1 0 82 10 664 Eq 4 120 Os esfor os apresentados permitiram a escolha do diodo retificador FES8GT da General Semicondutor Esse componente apresenta alta velocidade de comuta o e baixa queda de tens o direta Essa tecnologia para uso em baixa tens o at 400 V em fontes de alimenta o de alta frequ ncia apresenta tempos de comuta o de 35ns 39 Os dados do diodo escolhido s o apresentados na Tab 4 6 Tab 4 6 Dados principais do diodo FES8GT da General Semicondutor Especifica o Valor M xima tens o reversa VR 400 V M xima corr
55. VL VLmed Vmin vo Vo Vomax Vomin Vppserra Vn Vref Vs Vsensor Vsmax Vro A AB AIL Per odo de comuta o Tens o no capacitor de sa da Tens o na sa da do controlador Tens o reversa no diodo Tens o m xima reversa no diodo Volume do n cleo Tens o de equaliza o do banco de baterias Tens o de flutua o do banco de baterias Tens o de entrada do conversor Elevador Tens o intermedi ria do regulador tipo 3 Tens o de entrada quando h ondula o de corrente m xima Tens o m xima de entrada do conversor Elevador Tens o m nima de entrada do conversor Elevador Tens o sobre o indutor Tens o m dia no indutor Tens o m nima nas baterias Tens o de sa da do conversor Elevador Tens o m xima de sa da do conversor Elevador Tens o m nima de sa da do conversor Elevador Tens o de pico a pico da onda dente de serra Tens o de circuito aberto revers vel da c lula a combust vel Tens o de refer ncia Tens o sobre o interruptor Tens o na sa da do sensor Tens o m xima no interruptor Queda de tens o direta m xima do diodo Comprimento total do entreferro Profundidade de penetra o Varia o da densidade de fluxo magn tico Ondula o de corrente no indutor Ondula o de corrente limite E Aes Be 5 319 18 9 1 5 5 3 18 cm cm T A A 17 At AT AVact AVco AVo AVohm fio 0021 0022
56. a Alterar o ciclo de trabalho altera a tens o de sa da Aumentando o ciclo de trabalho eleva se a tens o de sa da e vice versa Sendo assim para a tens o de sa da permanecer constante quando a tens o do m dulo com o banco de baterias se reduz a tens o de entrada tamb m se reduz Isso tamb m provocaria uma redu o na tens o de sa da caso o ciclo de trabalho fosse constante por m alterando o ciclo de trabalho para um valor maior essa tens o ir crescer Se a tens o de entrada aumentar para um valor maior que o nominal de 48 V a tens o de sa da tamb m ir aumentar Como se deseja tens o constante na sa da o ciclo de trabalho deve ser reduzido para que a tens o de sa da tamb m seja reduzida A partir do que foi exposto acima constata se a necessidade de controle do conversor elevador Este controle faz com que o conversor seja realimentado alterando o ciclo de trabalho conforme as necessidades O controle realimentado comp e a estrutura de pot ncia do conversor comutado O conversor pode operar em modo de condu o cont nuo ou modo de condu o descont nuo O controle realimentado da Fig 5 1 composto basicamente dos seguintes elementos 98 Tens o de Refer ncia Estabelece um valor a ser seguido como refer ncia pela malha fechada Neste caso a tens o de refer ncia 270V e ser representada por V ref Comparador Normalmente composto por um amplificador operacional Sua fun o
57. a do modelo te rico Apresentando a magnitude e fase na Fig 6 3 160 C21 R22 C20 R21 2500u 0 00007 C22 R24 R25 L10 80000u 0 0115 900004 0 15 ie tuH A R20 R23 V10 OAdc SEN 0 41 0 17 pes 73 o Fig 6 2 Circuito para obten o de imped ncia de sa da de uma c lula de combust vel t pica 1 KHZ 18KHz 18Hz P U L18 2 Frequency Fig 6 3 Imped ncia de sa da do subsistema fonte c lula de combust vel A c lula de combust vel o primeiro subsistema fonte do sistema proposto assim ser dividida a imped ncia de sa da pela imped ncia de entrada do subsistema carga Neste caso o conversor elevador mostrado na Fig 6 4 cuja imped ncia de entrada mostrada na Fig 6 5 161 934 579439 1 8Hz 18Hz 108092 1 8KHz 18KHz 188KHz 1 8HHz 18HHz o P U I3 Frequency Fig 6 5 Imped ncia de entrada do subsistema carga conversor elevador 162 Agora ser simulado o Tm para o estudo da estabilidade da conex o entre a c lula de combust vel e o conversor elevador 500 gt DB U L18 2 DB U L1 1 108d A 7 288d os tno rein gt 1 8Hz 18Hz 18KHz P U L18 2 P U L1 1 Frequency Fig 6 6 Tm Zs Ze da primeira conex o do sistema Analisando o gr fico da Fig 6 6 conclui se que para freq ncias superiores a 1 MHZz onde a fase 180 e o m dulo da divis o de Zs Ze igual a
58. a eletromotriz do banco de baterias Freq ncia de corte Freq ncia de comuta o Ganho est tico do conversor Elevador Ganho necess rio para elevar a curva de magnitude a OdB Forma padr o de fun o de transfer ncia de 2 ordem Fun o de transfer ncia da raz o c clica para a tens o de sa da Fun o de transfer ncia da entrada para a sa da Fun o de transfer ncia do controlador Corrente inicial do teste de interrup o de corrente Corrente no capacitor de sa da Corrente no capacitor durante a segunda etapa de opera o Corrente eficaz no capacitor de sa da Corrente m dia no capacitor de sa da Corrente no diodo Corrente eficaz no diodo Corrente m xima no diodo Corrente m dia no diodo Corrente m dia de entrada do conversor Elevador Corrente no indutor Corrente de entrada quando h ondula o de corrente m xima Corrente eficaz no indutor Corrente m xima no indutor Corrente m dia no indutor Corrente m nima no indutor Corrente de carga r pida das baterias Valor da corrente ao t rmino da carga r pida das baterias Corrente na carga Corrente reversa instant nea m xima do diodo Corrente de refer ncia Corrente no interruptor V Hz Hz gt gt gt gt gt gt gt gt gt gt x EEXEEXEXEXEEXEXEXEXEXEXEE A4 Isef Ismed Jmax K Kf Kn Kpwm kw L Ichicote lg Ime N Ncond Neletroqu mico
59. a fonte tiver a imped ncia de sa da muito menor que a imped ncia de entrada do subsistema carga e ambos individualmente forem est veis 159 e Intera o Moderada An lise da Magnitude ITml lt 1 O valor da magnitude de Tm se utiliza para determinar o comportamento dos subsistemas Se Tm for menor que 1 o sistema ser est vel e Integra o com Estabilidade Independente da Fase ITml 1 Nos estudos de sistemas n o modulares ou integrados uma pr tica cl ssica o estudo do amortecimento dos autovalores Se os autovalores introduzidos no sistema devido a integra o s o bem atenuados ent o estes autovalores podem afetar menos integra o Neste caso a estabilidade n o fica garantida e Integra o e An lise ITml 1 Quando n o se consegue garantir ganhos de la o muito menor que 1 o sistema n o necessariamente ir se instabilizar Assim a partir de Tm estudada a estabilidade da integra o atrav s da teoria cl ssica de controle utilizando as ferramentas de an lise em fregii ncia e Integra o Muito Forte ITml gt gt 1 A ocorr ncia de um ganho de la o Tm muito maior que a unidade implica em forte integra o entre os subsistemas de carga e fonte 6 3 Aplica o da Teoria de Estabilidade Aplicada a um Sistema Contendo uma C lula de Combust vel T pica A partir do modelo de c lula de combust vel t pico apresentado na Fig 6 2 foi simulado do OrCAD a imped ncia de sa d
60. a que se utiliza no modelamento do modulador O m dulo proposto para o simulador utiliza a express o de uma reta que passa por dois pontos cujo coeficiente angular se calcula atrav s da Eq 5 5 Y qa Eq 5 5 X X Substituindo as vari veis da equa o quelas do modulador Visus eM Ea 5 6 EUM d d us a 107 Agora da defini o da equa o de reta y y a x x Eq 5 7 utilizando as vari veis do modulador resulta Ve Vc Vc Vea E ld d nin Eq 5 8 Er q max min Ent o utilizando um comando IF se estabelece as seguintes condi es de opera o Sid dmax ent o d dmax Eq 5 9 Sid lt dmin ent o d Amin Eq 5 10 Fisicamente as equa es do modulador s o introduzidas em uma caixa comportamental como a da Fig 5 15 MODULADOR d MODO TENS O Fig 5 15 Aproxima o linear de um sistema n o linear 5 4 Regulador ou Compensador S o definidos tr s tipos b sicos de compensadores em fun o do n mero de p los e zeros de sua respectiva fun o de transfer ncia e principalmente em fun o de sua caracter stica de defasagem 108 5 4 1 1 Compensador do Tipo 1 50 1 8Hz 188Hz 18KHz Frequency Fig 5 16 Compensador tipo 1 e sua resposta em freq ncia fc 100Hz Fase 90 A tens o de sa da do integrador 1 pv t t 2 at v c R Eq 5 11 Este circuito apr
61. a vari vel a ser aplicada por exemplo em um motor Fig 3 3 Bornes de entrada e sa da do retificador interno do inversor CFW 07 da WEG Na Fig 3 4 pode se ver o diagrama do retificador como especificado no manual do inversor 10 a possibilidade de inclus o de filtros e uma pr carga no barramento de entrada antes da retifica o e uma pr carga para prote o do banco de capacitores 52 PRE CARGA REDE MEM 220 230 VOL 0 380 480 V o 3 i Fig 3 4 Diagrama de blocos do retificador interno do inversor CFW 07 da WEG A grande vantagem de se utilizar um inversor comercial o fato de que este passa por um rigoroso controle de qualidade al m de possuir in meros dispositivos de seguran a assim como in meras fun es Ao ser utilizado um inversor usado este equipamento torna se competitivo economicamente Na Fig 3 5 mostrada a foto da fonte usada para alimentar o inversor com tens o de 270 V CC A fonte permite obter uma tens o cont nua at 290 V Este teste permite analisar a depend ncia ou n o da alimenta o CA monof sica Caso o inversor possa ser alimentado somente com a tens o CC diretamente na sa da do retificador interno nos resta somente a implementa o do conversor elevador Fig 3 5 Fonte utilizada para teste de alimenta o do barramento CC A tens o medida no barramento CC do inversor quando este era alimentado por uma tens o nominal de 220 V CA
62. acao ose eoe A 122 5 6 3 An lise do Circuito Promediado essere enne 124 5 7 Projeto do Regulador do Conversor Elevador 4 crees ecce ee ee eee eee nest en aseo 127 5 7 1 Determina o do fator pee ere tere odie teer PUR ee eee eus cre 127 5 7 Determina o do valor de R essere ennemi nennen tenens 129 5 7 5 Determina o do valor de C sse eene nennen nennen ennt nenne 130 5 7 4 Determina o do valor de C esse eene rennen enne nre nenne ener nenne 131 5 7 5 Determina o do valor de Ry e R5 eene nennen enne 132 5 7 6 Determina o do valor de C essent eene nennen nennen ene 133 6 8 9 5 7 7 Determina o do valor de Galfer sse enne 135 5 7 8 Determina o do valor de Rb para um regulador de tipo 3 sess 135 5 8 Defini o do Modelo de Simula o do Conversor Elevador 135 5 9 Dimensionamento dos Componentes do Regulador eere eee eee eee eene tenen 137 5 10 Resultados de Simula o ss ssiscccccscsscsssssssecccscsesesescscssncssssasoveosssosssondvavsocssecssoosesesssossuassonsesessoes 140 5 11 An lise de Estabilidade do Conversor Elevador eere eee eene eene entente anat 143 JU PAESI ELE 154 Estudo da Estabilidade p
63. acordo com o C digo El trico Nacional dos EUA NFPA 70 e procedimentos de instala o NFPA 853 A instala o de equipamentos e g s deve ser feita nas normas locais e nacionais 2 5 1 Especifica es do Local de Instala o O Independence 10007M voltado apenas a ambientes fechados Um local livre de raios solares e poeira deve ser selecionado Deve ser permitido livre acesso conforme Tab 2 1 A instala o da unidade deve estar de acordo com a NFPA 70 National Eletric Code dos EUA Tab 2 1 reas livres rea Folgas Frente 91cm Tras 46cm Em baixo Sem minimo Em cima Sem minimo Lados Sem minimo 36 Para minimizar perigo de inc ndio o Independence 1000 deve ser colocado a 46 cm de qualquer material combust vel 2 5 2 Condicionamento do hidrog nio O Independence 10007M requer g s hidrog nio industrial standard com 99 95 de pureza para operar Esse hidrog nio pode ser fornecido por cilindros de press o ou outras formas apropriadas A conex o do sistema de alimenta o de hidrog nio deve ser feita utilizando sistemas reguladores apropriados para hidrog nio e tubula es apropriadas O cilindro deve ser conectado a um regulador de alta press o A press o de alimenta o deve ser configurada para 4 psi g Para prevenir vazamentos de hidrog nio n o se deve exceder em hip tese nenhuma 6 psi g no m dulo Utilizando tubula o apropriada o cilindro de hidrog
64. ado Henrique Lopez Reinaldo Murilo Gert Dan sia de Oliveira de Lima e Cristiane Dias Pasqualon Aos funcion rios Carlos Bergold Alem o Francisco e Washington pelo apoio e aten o dedicada Ao SESMIT Eng Guilherme e Derlan Prefeitura Universit ria ao Setor de Projetos de Sistemas de Gases Eng Fl vio e Sr Oswaldo aos laborat rios de Eletr nica de Pot ncia LEPUC e de Convers o Eletromec nica de Energia LCEE pela grande contribui o no projeto do laborat rio de c lulas a combust vel A ANEEL e a CEEE que financiaram essa pesquisa DEDICATORIAS Dedico este trabalho a meus pais Rodolfo e Helena que me deram apoio educa o e exemplo Resumo da Disserta o apresentada a PUCRS como parte dos requisitos necess rios para a obten o do grau de Mestre em Engenharia El trica PROJETO E IMPLEMENTA O DE UM SISTEMA DE ALIMENTA O ELETR NICO TRIF SICO EMPREGANDO UM M DULO COMERCIAL DE C LULAS DE COMBUSTIVEL Alessandro Gomes Preissler Mar o de 2008 Orientador Fernando Soares dos Reis Dr Ing rea de concentra o Sistemas de Energia Linha de Pesquisa Eletr nica industrial controle e automa o Palavras chaves C lulas de combust vel sistema de alimenta o N mero de P ginas 178 RESUMO O objetivo principal dessa disserta o estudar e implementar um sistema de alimenta o eletr nico tendo como gerador de energia el trica o m dulo comer
65. am vel O armazenamento e manuseio deste g s devem ser feito de acordo com o recomendado pelo fabricante e por leis de car ter local estadual e nacional Nenhuma chama deve ser acesa pr xima c lula combust vel incluindo o consumo de cigarros O hidrog nio deve ser fornecido c lula combust vel atrav s de um sistema aprovado de regula o de g s Protetores oculares devem ser utilizados no manuseio do g s O m dulo Independence 10007M fornece cartuchos de c lula combust vel com elevada taxa de troca de calor para opera o permanente permitindo a entrega de energia limpa e silenciosa para aplica es de pot ncia de backup A c lula combust vel escolhida Independence 1000 possui c lulas do tipo PEM Proton Exchange Membrane com pot ncia de sa da de 1 kW e tens o de 48 V A escolha pelo PEM foi feita por causa da tecnologia razoavelmente bem desenvolvida e porque se adapta bem s dimens es do projeto No caso das c lulas combust vel de xido s lidas suas elevadas temperaturas de opera o e exaust o devem ser melhor adaptadas Em uma c lula combust vel do tipo PEM diagrama da Fig 2 2 o g s hidrog nio alimenta uma camada catalisadora que absorve os el trons de hidrog nio Os fons H atravessam uma membrana eletrol tica at encontrar outra camada catalisadora que alimentada por oxig nio ar Entretanto os el trons de hidrog nio sofrem uma perturba o antes de retornar c lula combust
66. ara Pequenos Sinais na Conex o dos M dulos 157 6 1 inni M M 157 6 2 O Estudo da Estabilidade do Sistema cere eee e ee eee esee ee eene ense enses enata roo 157 6 3 Aplicac o da Teoria de Estabilidade Aplicada a um Sistema Contendo uma C lula de Conib stivel T DIC ioo erre sse coast EET URN MENT EEEa CCAS EEEE naats EEEa cani 159 6 4 A c P RTI 165 Resultados Experimentais ee oe eerie FON EE EE VERSES ey a 167 7 1 Hnc X RS 167 7 2 Infra estrutura do Hidrog nio ccce eee ee eee e eee en oeste sett ares esae teens tates sae e ea aee 167 7 3 Conversor Elevador 169 7 4 Testes com o Sistema Integrado eee cete eee ee ee eene seen sete sese tease tete seta sese 171 7 5 Conclus es T E 172 Conclus es CEFALEA 174 Referencias Bibliogr ficas NG O 175 10 Lista de Figuras Fig 1 1 Esquema do Sistema de Alimentag o eese eene nono nn nena nena cra enn trennen trennen rennen nenne 20 Fig 1 2 Detalhe do Funcionamento da C lula a Combust vel PEM 26 Fig 1 3 Curva da tens o em fun o da corrente eese eene enne cena aaa aa nenne entren rennen nenn
67. ber of pages 178 SUMMARY The main objective of this dissertation is to study and to implement a power eletronic system A boost converter operating in continuous conduction mode is studied and designed in order to adapt the different voltage levels between the output of the commercial fuel cells module and the input of the three phase AC drive It held a literature review on fuel cells a study on the module INDEPENDENCE 1000 for the correct installation and operation It was searched on the characteristics of commercial inverter to determine the denomination of the converter lift given the parameters departed for the study and design of the controller and then the physical implementation of the converter lift realimentado and tests for validation of the project This work is a result of the project Study and Applications in Fuel Cell Power Generation sponsored by ANEEL and CEEE of the cycle of 2004 Indice El TOD CO asc A A AA a enna i DUE 20 11 Ian 20 1 2 Descri o do Sistema de Alimentac amp o eere eee eee etes ette ette seen ettet testen setas etas etna e tnae 20 1 3 Objetivos da Disserta o cssssescsesessaiscosesoatrsas 21 1 4 Principais Contribui es do Trabalho oooooosomssssss 21 1 5 Organizacao do Trabalho e 22 1 6 Revis o Bibliogr fica cicsccscccsscecccvssessssssedieccssseesdsstesssecesoesecsesetiesesvoutsdscbecsccesdevcssssteds
68. bt m se R R l K 1 5 7 6 Determina o do valor de C2 Eq 5 105 Eq 5 106 Eq 5 107 Eq 5 108 Uma inclina o de 20 dB dec representa uma inclina o de 1 na escala de ganho uma vez que os 20dB de acr scimo em uma d cada 20 log G 20dB representa 20 10 102 seja uma eleva o tamb m de 10 vezes no ganho IG 10 Eq 5 109 Eq 5 110 Eq 5 111 Como neste intervalo a declividade da curva de magnitude de 45 o ganho na freq ncia de corte se calcula como uma fun o do ganho em fcr dividida pela ra z quadrada de K Empregando o tri ngulo ret ngulo da Fig 5 39 se demonstra que a frequ ncia fcr representa a raiz quadrada de K vezes a fregii ncia fcr dividida pela raiz quadrada de K FG e Eq 5 112 a Onde a partir da Eq 5 30 dec H Eq 5 113 Rr Ci C3 27 i Substituindo C a partir da Eq 5 82 f 1 E E JK Rr K 1 0 C 25 Eq 5 114 os termos da soma com C culminam resultando alte ES Eq 5 115 VK R K C 2a f Substituindo Eq 5 107 em Eq 5 110 K Gdf J Eq 5 116 R K C 27 fo simplificando 135 1 Gafa RG f Eq 5 117 Obt m se 1 Gee Eq 5 118 Golf Ri af 5 7 7 Determina o do valor de Sabendo que na freq ncia de corte 1 Gf 5 Gf Granit J Eq 5 119 5 7 8 Determi
69. cartuchos est o ligados Vermelhas individuais Os cartuchos est o desligados devido baixa tens o Todas vermelhas Desligamento iniciado 42 Visor LCD se o Independence 1000 foi configurado para comunica o TCP IP ou LCD o visor LCD fornece mensagens ao usu rio Se o Independence 1000 foi configurado para comunica o RS232 o visor LCD permanece desligado O visor indica a corrente produzida a tens o produzida o tempo de fluxo de corrente o carregamento r pido bulk e o normal float das baterias o desligamento e a mensagem de desligamento anterior 2 6 2 2 Utilizando como fonte de energia Para este modo de opera o deve ser verificada a configura o da unidade As baterias internas devem ter sido instaladas apropriadamente a carga deve ter sido conectada aos terminais apropriados o disjuntor de banco de baterias deve estar na posi o OFF e os disjuntores de carga e baterias internas devem esta na posi o ON Depois de confirmadas estas configura es a unidade deve ser operada como se segue Ligando manualmente pressione e mantenha pressionado o bot o On Off do painel at as luzes ligarem A unidade come ar a funcionar atrav s de uma rotina de inicializa o autom tica como indicada pelas luzes indicativas dos cartuchos Desligando manualmente pressione e mantenha pressionado o bot o On Off A luz indicativa de cada cartucho ir tor
70. cia de 300 Hz para que esta tenha 36 magnitude de O dB tem se que G a 10 2 0 01585 Sendo assim calcula se o valor do capacitor C atrav s da Eq 5 100 arbitrando um valor para o resistor R Fazendo R 100 obt m se a Eq 5 125 1 1 C fud 2m R Gy f 27 100k 0 01585 300Hz 23359F Eq 5 125 Atrav s de uma rela o entre utilizando o fator conforme Eq 5 82 obt m se o valor da capacit ncia C C K 1 C 525 1 3359F C 1754F Eq 5 126 O valor de R pode ser obtido atrav s da Eq 5 71 como mostra a Eq 5 127 VK 525 Y oF R 690 Eq 5 127 Am C f 27 175 uF 300Hz Sabendo o valor de R e de posse da Eq 5 90 calcula se o valor de R como mostra a Eq 5 128 R 100k R 1910 3 K 1 525 1 3 Eq 5 128 140 Sabendo se o valor de determina se o valor de C atrav s da Eq 5 75 como mostra a Eq 5 129 1 1 2m R NK f 27 1910 525 300Hz C 1217F Eq 5 129 Para c lculo do resistor de polariza o R utiliza se a Eq 5 102 pela qual se chega a Eq 5 130 que leva ao valor de R R Vm 100kQ 4 R 1 5kQ V V 270 4 Eq 5 130 Para confec o do regulador na placa de soldagem foram aproximados os valores encontrados para valores comerciais conforme a Tab 5 1 Tab 5 1 Valores comerciais dos componentes do compensador Compo
71. cial de c lulas de combust vel INDEPENDENCE 1000 para compatibilizar os n veis de tens o entre o m dulo gerador com um inversor trif sico comercial modelo CFW 07 da WEG S A foi desenvolvido um conversor elevador realimentado os interruptores utilizados no circuito de pot ncia s o IGBT s operando em frequ ncia de 20 KHz Foi realizada uma revis o bibliogr fica sobre c lulas de combust vel um estudo sobre o m dulo INDEPENDENCE 1000 para a correta instala o e opera o Foi pesquisado sobre as caracter sticas do inversor comercial para determinar os valores nominais do conversor elevador determinado os par metros partiu se para o estudo e projeto do controlador e em seguida a implementa o f sica do conversor elevador realimentado e ensaios para valida o do projeto O trabalho faz parte dos produtos esperados no projeto Estudo e Aplica es de C lulas de Combust vel na Gera o de Energia patrocinado pela ANEEL e CEEE no ciclo de 2004 Abstract of Dissertation presented to PUCRS as partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master in Eletrical Engineering Abstract PROJECT AND IMPLEMENTTATION OF A THREE FASE POWER ELETRONIC SYSTEM BY USING A TRADE OF FUEL CELL MODEL Alessandro Gomes Preissler March 2008 Advisor Fernando Soares dos Reis Dr Ing Area of concentration Power Systems Line of reserch industrial eletronic automation and control Keywords Fuel Cells power systems Num
72. das de comuta o definida como o total de perdas no diodo calculado pela Eq 4 69 P cond _D Pw Eq 4 69 totais _ 4 3 4 3 C lculo T rmico A resist ncia t rmica entre a jun o e o ambiente Rm ja m xima definida para que n o seja ultrapassada a temperatura de jun o desejada Tj aes O c lculo considera a temperatura ambiente Tae as perdas totais no componente como mostra a Eq 4 70 T esej ed Roera Eq 4 70 totais Caso a resist ncia t rmica entre a jun o e o ambiente Rth_ja do componente seja menor que Rthja max n o necess rio o uso do dissipador Se for maior o dissipador dever ter resist ncia t rmica entre o dissipador e o ambiente Rth_da menor que o valor determinado pela Eq 4 71 R eT R th da max th jc u Ry ca Eq 4 71 totais Na Eq 4 71 Rin jc a resist ncia t rmica entre a jun o e a c psula e Rm ca a resist ncia t rmica do contato c psula dissipadora A verifica o da temperatura da jun o com o dissipador escolhido pode ser feita com o aux lio da Eq 4 72 j_ final T x Ro ji R th_cd R th da PE ds Eq 4 72 A temperatura final da jun o com uso do dissipador tina deve ser menor ou igual temperatura desejada estipulada no projeto Tj aesej 80 4 4 Projeto do Est gio de Pot ncia do Conversor Elevador Depois de realizada a an lise e o equacionamento necess rios realizado o projet
73. de fornecer estabilidade e n vel de tens o adequada ao inversor 58 CAPITULO 4 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE POTENCIA E COMANDO DO CONVERSOR ELEVADOR 59 4 DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE POT NCIA E COMANDO DO CONVERSOR ELEVADOR 4 1 Introdu o Com o objetivo de se elevar a tens o de um banco de baterias para a tens o de entrada de um inversor adequando os n veis de tens o desses e respeitando as limita es de cada um utiliza se um conversor CC pr prio para esta aplica o No caso em quest o o conversor alimentado por um banco de baterias essas alimentadas a partir de c lulas a combust vel Deseja se pequena ondula o na corrente de entrada do conversor A sa da do conversor conectada a um inversor com tens o superior tens o de entrada Visando atender a essas especifica es empregado o conversor CC CC elevador A tens o nos terminais do banco de baterias oscila de acordo com a carga ou descarga J a tens o no inversor oscila de acordo com a necessidade da carga conectada na sa da deste O conversor deve operar dentro dessas faixas de varia o da tens o de entrada e de sa da A seguir apresentada a an lise do conversor elevador CC a metodologia de projeto e o dimensionamento dos componentes 4 2 Estrutura e Etapas de Opera o do Conversor Elevador A Fig 4 1 apresenta a estrutura de pot ncia do conversor elevador in ip Fig 4 1 Est
74. do circuito por meio da alterac o dos elementos comutadores O interruptor PWM em MCC mostrado na Fig 5 20 Este modelo utilizado para determinar o ponto de corrente cont nua de opera o de um est gio de pot ncia e para se encontrar a fun o de transfer ncia do est gio de pot ncia L p asas RL c Fig 5 20 Esquem tico do est gio de pot ncia do conversor elevador Na Fig 5 20 o transistor de pot ncia O e o diodo CRI est o inseridos dentro das linhas tracejadas Estes s o os componentes que serao substitu dos por um circuito comutador PWM equivalente Os terminais a p e c s o as denomina es dos terminais do interruptor PWM Eo a ce E Fig 5 21 Interruptor PWM para MCC em CC e pequeno sinal 115 O terminal a ativo conecta se a chave ativa Similarmente o terminal p passivo conecta se a chave passiva Por fim o terminal c comum comum a ambas as chaves passiva e ativa As tr s principais topologias de conversores CC CC possuem chaves ativas e passivas e em todos eles as defini es dos terminais podem ser aplicadas Adicionalmente substituindo o interruptor PWM em outra topologia tamb m se produz um modelo v lido para a topologia em particular Para utilizar o interruptor PWM em outras topologias basta colocar o modelo mostrado na Fig 5 21 em posicionamento correto No interruptor PWM da Fig 5 21 e subseqiientes ocorr ncias deste modelo as letras min sculas ind
75. dobro da capacidade de corrente Como na entrada do inversor existem tr s capacitores de mesma capacit ncia em paralelo junto com este totaliza quatro capacitores em paralelo resultando em uma resist ncia equivalente de 18 75 mQ respons vel por uma varia o na tens o de sa da de aproximadamente 470 mV e capacidade de corrente de 14 A al m da capacidade necess ria Sendo assim utilizando apenas um capacitor no conversor elevador tem se a resist ncia equivalente abaixo do limite e a corrente eficaz acima do m nimo em fun o dos tr s capacitores na entrada do inversor Os dados principais desse capacitor s o apresentados na Tab 4 4 Tab 4 4 Dados principais do capacitor eletrol tico B43501 53477 M31 da SIEMENS Especifica o Valor Tens o V 385 V Capacitancia C 470 uF Resist ncia S rie Equivalente Rse 150 mQ Resist ncia S rie Equivalente Rse o 4 75 mQ Corrente Eficaz 1 O 254 Corrente Eficaz korm 3 5 A Fig 4 9 Capacitor escolhido 90 4 4 4 Dimensionamento do Interruptor 4 4 4 1 Esfor os no Interruptor A tens o m xima no interruptor dada pela Eq 4 50 apresentada na Eq 4 106 Vena V IE gov o ome 280 25V Eq 4 106 S max omax A corrente m xima a corrente m dia e a corrente eficaz no interruptor s o dadas pelas equa es Eq 4 51 Eq 4 53 e Eq 4 55 respectivamente As substitui
76. dula o por largura de pulso PWM se apresentam por meio de um dispositivo nico e gen rico de tr s terminais proposto por Vorp rian 35 que se denomina interruptor PWM e est representado na Fig 5 2 PA p Fig 5 2 Diagrama de blocos do interruptor PWM 66 99 99 95 66 499 Por raz es bvias a designa o de seus terminais a c e p se associa aos terminais ativo comum e passivo respectivamente Este m dulo apesar de partir de uma deriva o anal tica mant m uma representa o f sica toda vez que representa o interruptor e o diodo dos conversores Atrav s deste dispositivo os conversores PWM representados na Fig 5 3 se modificam se mediante a simples rota o do m dulo interruptor PWM Devido a suas caracter sticas esta ferramenta pode ser utilizada no modelamento computacional de grandes sinais de sistemas centralizados e tamb m de sistemas distribu dos 35 A id ia fundamental deste cap tulo introduzir as principais formas de modelamento do interruptor PWM mostrando suas vantagens e desvantagens e buscar contribui es efetivas de outras t cnicas j estudadas anteriormente A prefer ncia pelo m dulo do interruptor PWM deve se a sua grande simplicidade O interruptor PWM modelado de diversas formas de acordo com o tipo de an lise e modo de condu o considerada De acordo com a literatura existem m dulos do interruptor PWM para regime permanent
77. e pequeno sinal e grande sinal 35 100 LE T Ve DA Co 2 R p a Redutor L z as D D Ve E Z Co R b Elevador a p K Ve Co R Ci L2 A T AR a p q D Ve re Co R d Cuk Ci 10 Ju v2 L Co R Ve E D a p K SEPIC Fig 5 3 Interruptor PWM modelamento de conversores 101 5 2 1 O Interruptor PWM em Regime Permanente Como comentado na introdu o deste cap tulo o interruptor PWM sintetiza as propriedades promediadas invari veis entre tens es e correntes sobre os interruptores que se mant m nos principais conversores comutados PWM Quando o conversor opera em modo de condu o cont nua seus comportamentos s o demonstrados nas figuras de Fig 5 4 Fig 5 9 tc Ts ciclo de trablho Ic Fig 5 4 Correntes instant neas e m dia no terminal c em fun o do tempo Fig 5 5 Corrente instant nea e m dia no terminal a em fun o do tempo Ipz 1 D Ic Fig 5 6 Corrente instant nea e m dia no terminal p em fun o do tempo 102 vap t Vap tempo Fig 5 7 Tens es instant neas e m dias entre os terminais a e p em fun o do tempo Vcp D Vap Fig 5 8 Tens es ins
78. e 28 Fig 2 1 Configura o para gera o de energia sisisi iere roire trennen emet non aaa aa teen nero eene entente 30 Fig 2 2 C lula combustivel do tipo PEM ee AA me oen dvd 32 Fig 2 3 Vista frontal m dulo Independence 1000 fechado e aberto sse 32 PAGS A eee ep ERA di 32 Fig 2 5 Diagrama de blocos do m dulo Independence 1000M sss eene eene 34 Fig 2 6 Sistema de fornecimento de hidrog nio isisisi onneen enne nennen eren enne ene 37 7 DISIUMIOTOS a sete ac ak RETE REESE WEISE aah o iUe ue ics edes ede era eee 40 Fig 2 8 Procedimento de opera o como carregador de baterias azul e como fonte de energia preto 43 Fig 2 9 Circuito de pilha associado em s rie e paralelo eese ener 44 Fig 2 10 Resultado da simula o no dom nio fregii ncia da pilha eene 44 Fig 2 11 Gr fico com os resultados experimentais da c lula de 1 45 Fig 2 12 Foto do teste feito no m dulo Independence eene nennen eene 46 Fig 3 1 Diagrama de blocos do inversor CFW 07 da 49 Fig 3 2 Esquema el trico do sistema de gera o de energia trif sico a partir de c lulas a combust vel 50 Fig 3 3 Bornes de entrada e sa da do retificador interno do inversor CFW 07 da WEG se
79. e 51 Fig 3 4 Diagrama de blocos do retificador interno do inversor CFW 07 da WEG esee 52 Fig 3 5 Fonte utilizada para teste de alimenta o do barramento CC sese 52 Fig 3 6 Diagrama em blocos do teste do retificador interno do inversor CFW 07 esee 53 Fig 3 7 Tens o entre fases do inversor para uma fregii ncia de 10 Hz para um per odo de amostragem de 20 ms div m 54 Fig 3 8 Tens o entre fases do inversor para uma fregii ncia de 10 Hz um per odo de amostragem de 50 us div sre niin th O 54 Fig 3 9 Forma de onda da tens o com rela o a uma fase o neutro do inversor com per odo de amostragem de AEn OO f w 55 Fig 3 10 Forma de onda da tens o com rela o a uma fase e o neutro do inversor com per odo de amostragem de TOUS AV t ose aee e t Rr REP ie ec e EE Pe 55 Fig 3 11 Forma de onda da corrente entre neutro e fase para um per odo de amostragem de 500 us div 56 Fig 3 12 Foto do inversor alimentando l mpadas com cargas desequilibradas see 56 Fig 3 13 Formas de onda do inversor ao alimentar l mpadas eene 57 Fig 4 1 Estrutura do Conversor Elevador eese eee enne enne enne entente teneret trente enne eae enne enne 59
80. e ene tene tenerent entren 80 4 2 Dados do nucleo de NEE eer etg etse Ee ee aet un oasis 83 4 3 Dados do fio de cobre AWG2S coin it o et sa 85 4 4 Dados principais do capacitor eletrol tico B43501 53477 M31 da SIEMENS sse 89 4 5 Dados principais do IGBT CM150DU 12H da International Rectifier eee 90 4 6 Dados principais do diodo FESSGT da General Semicondutor eerte 93 5 1 Valores comerciais dos componentes do compensador 140 5 2 Valores comerciais dos componentes do compensador tipo 3 148 6 1 Compara o entre sistemas de malha aberta e fechada eere 158 Lista de S mbolos a Avan o de fase necess rio Ae rea efetiva da perna central do n cleo do indutor cm AeAw Produto das reas da perna central do n cleo e da janela do carretel do indutor cm4 Aw Area da janela do carretel cm Awmin Area ocupada pelos enrolamentos na janela do carretel cm Bmax Maxima densidade de fluxo magn tico T Co Capacit ncia do capacitor de sa da F AG Energia livre da rea o AH Entalpia da rea o D Raz o c clica D Raz o c clica complementar dmax Di metro m ximo do condutor para bom aproveitamento cm ad E fc fs G Gu G s Gva s Gvi s H s lo Co Ico 2 ICo ef Ico med ip IDef IDmax IDmed Ii iL IL IL ond max ILef IL max ILmed IL min Tmax Imin For
81. e influ ncia das freqii ncias harm nicas do inversor Um fator que contribui para o aparecimento desta caracter stica o fato da bobina do estator possuir capacit ncias parasitas afetando a corrente de alimentag o com componentes de altas freqii ncias 54 Freq 1 10 00Hz Amp 1 18 30V RMSC1 5 173V J PRINT_OO H G Scale Y F Feed Fig 3 7 Tens o entre fases do inversor para uma freq ncia de 10 Hz para um per odo de amostragem de 20 ms div Na Fig 3 8 ilustrada a mesma tens o da Fig 3 7 com um per odo de amostragem maior possibilitando uma melhor visualiza o da a o da modula o por largura de pulso PWM Nela pode se ver que a frequ ncia dos esp rios chega a 9 kHz influ ncia que pode ter origem em defeitos de filtragem Amp 1 gt 48 14V RMS 1 gt 16 625V PRINT_O1 Fig 3 8 Tens o entre fases do inversor para uma freqii ncia de 10 Hz com um per odo de amostragem de 50 us div Na Fig 3 9 efetua se a medi o da tens o entre uma fase e o neutro Nela poss vel visualizar a forma de onda da tens o por m referenciada ao neutro 55 AMSC2 gt 131 52V 131 52V NA Po lll image Fig 3 9 Forma de onda da tens o com rela o a uma fase e o neutro do inversor com per odo de amostragem de 5 ms div Na Fig 3 10 ilustrada uma amplia o da forma de onda visto que a sen ide de sa da do
82. e no indutor IL e o tempo em que ocorre esta acumula o de energia D A pot ncia de sa da pode ser calculada multiplicando se a tens o sobre a carga Vi Vo a corrente que passa pelo indutor IL e o tempo em que este est transferindo energia carga 1 D A partir dessa afirma o tem se a Eq 4 9 P P Eq 4 6 P V ID Eq 4 7 P V V 1 1 D Eq 4 8 Atrav s de substitui es chega se a Eq 4 9 G 4 Eq 4 9 1 D q 4 A Eq 4 9 pode ser utilizada para tra ar a curva da Fig 4 5 ee 5 O 4 3 3 3 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Raz o Ciclca D Fig 4 5 Caracter stica est tica do conversor elevador 4 3 1 Dimensionamento do Indutor 4 3 1 1 C lculo da Indut ncia A ondula o de corrente na entrada do conversor Alt depende do valor da indut ncia de filtragem O equacionamento a seguir demonstra essa relag o Inicialmente toma se a seguinte relag o Eq 4 10 conhecida para o indutor di t jog eee Oak Eq 4 10 L dt q Para elevadas freq ncias a seguinte rela o Eq 4 11 pode ser estabelecida y Mz Eq 4 11 At Tendo a Fig 4 4 como refer ncia verifica se que a tens o sobre o indutor durante a primeira etapa Vi Reescrevendo a equa o Eq 4 11 com novos dados de tens o e tempo de condu o 64 V Eq 4 12 Conhecendo as equa es Eq 4 1 e Eq 4 3 e substituindo na Eq 4 12 resulta na Eq 4 13 L i Eq 4 13 Para verificar o efeito
83. em de fase de 30 Ampliando a Fig 5 55 no tempo de 0 5 segundos que o tempo no qual a carga equivalente passa a valer 75 Q 2154 Vi Vo KO o ll 0 50 0 55 0 60 es Time s Fig 5 56 Amplia o da resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 30 Comparando o resultado mostrado na Fig 5 56 com o resultado mostrado na Fig 5 57 verifica se que quando o regulador possui margem de fase de 30 demora mais tempo para estabilizar do que quando possui margem de fase de 60 Isso poderia ser uma contradi o com as afirma es citadas anteriormente para degrau da tens o de entrada mas devido ao fato de que o foco a analise da resposta ao degrau de carga as equa es Eq 5 71 Eq 5 72 e Eq 5 73 nos mostram que a altera o no valor da carga fazem com que sejam alteradas as frequ ncias de zero de resson ncia e o fator de qualidade do sistema alterando a fase e consequentemente a resposta no tempo deste sistema 5 12 Conclus es O regulador proposto foi projetado neste cap tulo para apresentar uma margem de fase de 60 sendo que nesta freqii ncia o ganho deveria ser reduzido em 36 dB Seguindo a metodologia de projeto apresentada neste cap tulo o regulador de tipo 3 foi projetado para apresentar estas caracter sticas Por meio de sua resposta em frequ ncia foi constatado que o regulador cumpre bem o seu papel visto que apresenta ganho de 36 dB e fase de 60
84. ente m dia direta IF Av por diodo 8 A M xima corrente reversa Irsm 8 3 ms 125 A M xima queda de tens o direta VFM 16A Tj 125 C 13V Resist ncia s rie Tj Tjmax 19 07 mQ Resist ncia t rmica jun o c psula Rthic 2 2 C W Resist ncia t rmica c psula dissipadora Rthja 15 0 C W 94 Fig 4 11 Diodo escolhido 4 4 5 1 Perdas no Diodo As perdas de condu o do diodo s o calculadas atrav s da Eq 4 66 Utilizando os esfor os calculados anteriormente e dados da Tab 4 6 tem se a Eq 4 121 O c lculo feito ja considerando os dois diodos internos em paralelo _ Vol aus PE Toe 1 3V 4 524 19 07m0 10 664 8 04W Eq 4 121 As perdas de comuta o no diodo escolhido s o muito pequenas Desconsiderando para esse caso as perdas de comuta o tem se a Eq 4 122 p 8 04W Eq 4 122 totais D 4 4 5 2 C lculo T rmico do Diodo A escolha do dissipador realizada com o aux lio da Eq 4 71 Conhecendo a Tab 4 6 e realizando as substitui es necess rias tem se a Eq 4 123 Ie dium DR Ke bes Eq 4 123 1 C 40 1500 40 C 92 C 0 8 C W 10 68 C W 8 04W Incluindo a resist ncia de contato c psula dissipador o dissipador K5 M6 da Semikron massa aproximada de 100 g possui resist ncia t rmica de 5 7 C W atendendo ao valor 95 calculado na Eq 4 123 Utilizando esse dissipador a temperatura da jun o
85. er corrente presente nos terminais CC O disjuntor pode ser usado para interromper a corrente para os terminais deixando a unidade ligada armada e pronta para o uso e Disjuntor do banco de baterias n o utilizado para aplica es de campo e deve estar sempre na posi o OFF 40 e Disjuntor de baterias de inicializa o este disjuntor s usado quando o Independence 1000 est configurado para opera o como fonte de energia Este disjuntor um dispositivo seguro que deve estar na posi o ON para a corrente fluir das baterias de inicializa o para os terminais CC O disjuntor deve estar na posi o OFF para opera o como carregador de baterias Disjuntor de banco de baterias Disjuntor de baterias de inicializa o Fig 2 7 Disjuntores 2 6 1 3 Conectando a carga A unidade equipada com dois pares de terminais um par positivo e outro negativo para conex o de cargas com tens o de 48 Vcc ou banco de baterias Se os pares est o em curto Remova o protetor de um terminal positivo e de um negativo Conecte a carga ou banco de baterias aos terminais apropriados Recoloque os protetores e fixe os seguramente 2 6 2 Opera o O Independence 1000 uma c lula combust vel de gera o de energia com m nimas opera es de controle Dependendo da configura o do m dulo o Independence 10007M pode operar manualmente ou remotamente A configura o da unidade
86. esenta um p lo na origem o que significa uma defasagem constante de 90 e uma atenua o de 20dB dec A fun o de transfer ncia e a frequ ncia de ganho unit rio s o respectivamente v s 1 Eq 5 12 v s 5 e Onde v s V v s Eq 5 13 1 de RC Eq 5 14 109 5 4 1 2 Compensador do Tipo 2 18Hz 1 8KHz 1 8HHz Frequency Fig 5 17 Compensador tipo 2 e sua resposta em freq ncia f e 2 kHz Aqui se tem um zero e dois p los sendo um na origem devido ao integrador A defasagem sofre um crescimento entre 90 e 0 O circuito apresenta um ganho AV que pode melhorar a faixa de resposta tendo os seguintes valores caracter sticos v s 1 s C R Eq 5 15 v s s R C C 5 R C C O ganho AV dado por R AV gt R Eq 5 16 Eq 5 17 27 R C 1 110 a GIG ad 27 R C C 2m R C gt gt Eq 5 18 fp 5 4 1 3 Compensador do Tipo 3 Este circuito mostrado na Fig 5 18 apresenta dois zeros e tr s p los sendo um deles na origem Isto cria uma regi o em que o ganho aumenta o que pode melhorar a resposta din mica havendo ainda um avanco de fase Para sistemas que possuem um zero no semiplano direito como no caso do conversor elevador o controle torna se dif cil O nico compensador capaz de proporcionar um avan o de fase maior que 90 o do tipo 3 sendo o mais indicado para o c
87. fornecimento de hidrog nio oxig nio e nitrog nio com controle de press o e v lvula de estrangulamento independente As duas capelas externas destinam se a testes em m dulos comerciais Estas capelas possuem janelas de inspe o que permitem acesso parte traseira dos equipamentos possibilitando a realiza o de conex es ajustes ou manuten o As duas capelas centrais s o destinadas a testes em prot tipos e equipamentos desenvolvidos pela equipe de pesquisa 168 Fig 7 1 Laborat rio de Energia e Aplica o de Gases O sistema de exaust o de gases principal fun o das capelas ocorre pela parte traseira das mesmas As janelas do pr dio foram adaptadas de forma que existe uma abertura inferior para entrada de ar e uma abertura superior para sa da de gases Na parte externa do pr dio foi constru da a central de gases de acordo com orienta o inicial da empresa Air Products que forneceu croqui de projeto Esta central tem tr s compartimentos para hidrog nio oxig nio e nitrog nio respectivamente A ee a Fig 7 2 Acomoda es dos cilindros de gases 169 7 3 Conversor Elevador Os ensaios iniciais do conversor foram feitos no LEPUC utilizou se uma fonte de tens o cont nua de 48 V substituindo a c lula de combust vel e como carga se utilizaram se oito l mpadas de 220 V comerciais Para estes testes o conversor estava com carga plena verificado atrav s de mult
88. ia A pot ncia de sa da Po igual soma das pot ncias entregues pela fonte na primeira e segunda etapa Pi O c lculo desta corrente pode ser feito com a Eq 4 19 levando se em conta o rendimento do indutor Eq 4 19 nV q Ipa Lmed 66 Pode se determinar a corrente m xima atrav s do indutor a partir da corrente m dia do indutor somando esta varia o da corrente nominal sobre 2 Caso calculada a diferen a ao inv s da soma obter se ia a corrente m nima A corrente m xima no indutor pode ser obtida pela Eq 4 20 Al F Eq 4 20 Lmax Na Fig 4 7 pode ser observado o modelo de um n cleo de ferrite do tipo E E A rea da se o transversal do n cleo denominada Ae e a rea da janela denominada Aw s o fatores importantes no projeto f sico de magn ticos N cleos Carretel Fig 4 7 N cleo e carretel do tipo E E Sendo os fios com uma geometria circular os enrolamentos ocupam apenas uma determinada rea da janela dispon vel Desta forma faz se necess rio definir uma constante kW denominada fator de ocupa o do cobre dentro do carretel O valor t pico da constante kW para a constru o de indutores 0 4 ou seja a rea ocupada pelos enrolamentos de 40 da janela Por m este valor pode sofrer varia es conforme a habilidade da pessoa respons vel pela confec o dos enrolamentos e conforme a geometria dos condutores utilizados A escolha d
89. ia necess rias s o combinadas em grupos chamados pilhas 1 6 2 Hist rico das C lulas a Combust vel O conceito de c lulas a combust vel 46 existe h mais de 150 anos e sua paternidade atribu da ao advogado e cientista William Grove Ele teve a id ia no decorrer de seus experimentos com eletr lise da gua quando imaginou como seria o processo inverso ou seja reagir hidrog nio com oxig nio para gerar eletricidade A forma mais pr xima das c lulas atuais surgiu em 1930 nos estudos do engenheiro ingl s Francis Bacon Desde ent o elas ficaram quase esquecidas porque o petr leo barato e a dificuldade em se obter materiais mais eficientes impediram um maior avan o tecnol gico e comercial das c lulas No final dos anos 50 a id ia da c lula a combust vel foi reanimada e desenvolvida pela NASA 45 como a melhor alternativa para a produ o de energia el trica e gua para as espa onaves das miss es Gemini Apollo e Shuttle As primeiras c lulas usadas na corrida espacial eram muito caras Hoje a tend ncia de c lulas mais baratas como a que utiliza a tecnologia PEM Pr ton Exchange Membrane o tipo de c lula utilizada neste trabalho 24 1 6 3 gera o de energia A c lula a combust vel funciona como um conversor eletroqu mico de energia 2 e 8 o hidrog nio H2 penetra no lado negativo nodo da c lula e tem sua estrutura quebrada em part culas positivas os pr tons e negati
90. icam a quantidade do estado de equil brio dependendo do ponto de opera o do circuito sob estudo No pior caso as letras indicam a quantidade de varia o do tempo que os componentes CC e CA podem ter As letras acentuadas indicam a varia o de pequeno sinal de uma vari vel em particular Por exemplo D representa o estado de equil brio do ciclo de trabalho e d representa pequenas varia es no sinal do ciclo de trabalho e d ou d t representa o ciclo de trabalho total incluindo qualquer componente de varia o CC ou CA O interruptor PWM mostrado na Fig 5 21 inserido no esquem tico do est gio de pot ncia do conversor elevador da Fig 5 20 por meio da troca do transistor e diodo CRI pelo interruptor A Fig 5 22 mostra o modelo resultante para o est gio de pot ncia do conversor elevador Pe R Ri REI D RL Vo Fig 5 22 Modelo promediado do est gio de pot ncia do conversor elevador 116 O exemplo de an lise CC a seguir ilustra como uma an lise do est gio de pot ncia torna se simples com o interruptor PWM Para a an lise CC d zero o indutor L um curto e o capacitor C est aberto Uma simples equa o de malhas nos leva a V i R V V 0 Eq 5 31 Mas V V D V D Eq 5 32 E LS eL ISLA Del Eq 5 33 Substituindo as rela es acima para e J na Eq 5 31 e isolando V tem se v Lo 1 1 D Eq 5 34 R 1 D A eq
91. ig 5 24 Formas de onda comutadas sem promediado SP e promediada P O circuito do conversor elevador a ser estudado o da Fig 5 25 definindo x como a corrente do indutor x a queda de tens o sobre capacitor que a mesma tens o de sa da por estar em paralelo com a carga u a tens o de entrada e u uma fonte de corrente que simula as poss veis varia es da carga o Fig 5 25 Conversor elevador Estado 1 S conduzindo e D n o conduzindo O lt t lt t Fig 5 26 1 etapa de operac o e uy V L Eq 5 48 t 121 me eco TE NEN uud Eq 5 49 R dt dt Estado n mero 2 S n o conduz e D conduz t t t4 e Fig 5 27 2 etapa de operac o dx u L x Eq 5 50 dt x dx u C x Eq 5 51 R dt Uma vez analisadas as duas etapas de opera o dos poss veis estados do circuito e de posse das equa es pode se obter o modelo promediado Estudando as equa es Eq 5 48 e Eq 5 50 pode se compovar que o termo x s aparece na Eq 5 50 ent o este termo se multiplica se por 1 d j que a vari vel x s se apresenta no estado 1 d ou seja na segunda etapa O resultado desta promedia o a Eq 5 54 Para as equa es Eq 5 49 e Eq 5 51 segue se o mesmo processo que o anterior obtendo a Eq 5 55 Reescrevendo os termos das derivadas na forma en X Eq 5 52 q 5 d gt da x Eq 5 53 22 q 5 d obt m se um nico siste
92. lador tipo 3 implementado no PSIM essen 141 Fig 5 39 Conversor elevador e regulador tipo 3 em malha aberta para margem de fase de 60 142 Fig 5 40 Resposta em freq ncia do conversor elevador a sem regulador e b com regulador em malha aberta 143 Fig 5 41 Circuito de simula o do conversor elevador 144 Fig 5 42 Resposta do conversor ao degrau de tens o eese nennen ener nennen nenne 144 Fig 5 43 Resultado da tens o de sa da com varia o da entrada entre 43V e 53V sse 145 Fig 5 44 Diagrama de bloco de um sistema realimentado eee nennen nens 145 Fig 5 45 Circuito do sistema de alimenta o eletr nico em malha fechada com margem de fase de 60 146 Fig 5 46 Resposta para margem de fase de 60 2 146 Fig 5 47 Resposta para degraus entre 43V e 53V a uma freq ncia de a 10Hz b 5Hz e c 147 Fig 5 48 Circuito do sistema de alimenta o eletr nico em malha fechada com margem de fase de 30 149 Fig 5 49 Resposta de tens o de sa da com margem de fase de 30 sse 149 Fig 5 50 Resposta de tens o de sa da para uma entrada do tipo degrau entre 43 Ve 53 V a uma fregii ncia de a 10 HZ b SZ ec cote sect hota sb an au T RR nerd lere niea ot t aer eee aa pe Rape Matai lea a 150 Fig 5 51 Circuito utilizad
93. libradas formadas por l mpadas f Modelamento da satura o inferior e superior do modulador do conversor elevador utilizando a fun o table 22 1 5 Organiza o do Trabalho A seguir ser o apresentados os principais t picos desenvolvidos ao longo desta disserta o O cap tulo um apresenta o trabalho e seus objetivos em que feita uma revis o bibliogr fica que incluindo pesquisa em diversas fontes de informa es sobre c lulas de combust veis e conversores elevadores tais como livros publica es nacionais e internacionais S o demonstrados no segundo cap tulo os dados obtidos da avalia o el trica do m dulo Independence tendo como base seu manual de opera o A instala o opera o e manuten o ser o abordadas nesse cap tulo em que merece destaque o condicionamento do hidrog nio como principal fator de seguran a deste m dulo Neste estudo s o levantados os aspectos de seguran a e procedimentos para a opera o da c lula no LENAG Laborat rio de Energia e Aplica o de Gases O terceiro cap tulo sumariza o estudo e ensaios realizados em 41 no inversor PWM comercial CFW 07 do fabricante WEG com vistas a adaptar se ao sistema de alimenta o proposto O quarto cap tulo descreve as caracter sticas do conversor elevador seus modos de opera o o dimensionamento dos seus componentes para o processamento da energia das c lulas a combust vel No quinto cap tulo estuda se
94. logies Tens o de sa da Tens o de entrada Fig 7 6 Degraus de carga 100 75 e 50 com 43 V na entrada 171 Foram aqui demonstrados apenas os ensaios com a tens o de 43 V na entrada em fun o de ser a nica tens o de entrada em que surgiu um sobresinal na corrente no momento em que foi aplicado um degrau positivo de carga Os ensaios demonstram a resposta adequada do controle em estabilizar a tens o de sa da para todos os testes feitos 7 4 Testes com o Sistema Integrado Para o teste de integra o o sistema foi montado no LENAG Inicialmente foi ajustada a press o de hidrog nio na c lula de combust vel para 5 PSI acionado o m dulo o mesmo permaneceu 45 minutos em aquecimento A pr xima etapa foi acionar o conversor elevador para alimentar o inversor em paralelo ao inversor at o acionamento do mesmo foram colocadas 3 l mpadas como carga para a partida que foram removidas assim que o inversor passou a alimentar outras 3 l mpadas como pode ser visto na Fig 7 7 Fig 7 7 Foto do sistema desenvolvido para processar a energia da c lula a combust vel 172 Foram ent o obtidas as formas de onda e corrente que alimentavam as l mpadas ambas em fase diferenciando apenas por sua magnitude Pelo fato de se estar operando com carga resistiva T Chi 100V SIE 100m P2 00ms A Chi f 8 00 10 1200ms Fig 7 8 Tens o de sa da do inversor ao alimentar l mpadas
95. m 270 V com o agravante de apresentar oscila es Quando a freq ncia de oscila o na entrada de 1 Hz o sistema apresenta baixa oscila o e quase entra em regime antes da troca de tens o Como o sistema entra em regime ap s 1 5 s sua frequ ncia limite de varia o na entrada de 0 67 Hz Por este motivo o controle deste sistema para varia o da tens o de entrada acima de 0 67 Hz faz com que a tens o de 270 V na sa da n o seja estabilizada Em todos os casos o sobresinal n o atinge 350 V protegendo assim o capacitor que possui tens o m xima de trabalho de 385 V O regulador foi reprojetado para apresentar uma margem de fase de 30 com a inten o de se aumentar sua velocidade de resposta mantendo a margem de ganho As equa es de Eq 5 124 a Eq 5 134 s o usadas novamente para c lculo dos componentes levando nos aos valores da Tab 5 2 Para confec o do regulador foram aproximados os valores encontrados para valores comerciais conforme a Tab 5 2 Tab 5 2 Valores comerciais dos componentes do compensador tipo 3 Componente Valor Encontrado Valor Comercial R 100 100 kQ R 288 Q 300 Q R 3 24 kO 3 3 kQ C 10 4 uF 10 uF C 335 nF 330 nF 29 2 nF 30 nF R 1 5 kQ 1 5 kQ A Fig 5 48 mostra o circuito em malha fechada do sistema de alimenta o eletr nico com regulador projetado para margem de fase de 30 e ganho de 0 dB na freqii ncia de 3
96. m uma rela o direta com o ganho do la o de um sistema realimentado permitindo assim o estudo da estabilidade do sistema 6 2 O Estudo da Estabilidade do Sistema Um sistema n o linear pode ser linearizado 42 proporcionando uma aproxima o Assim permite o uso de ferramentas como a Transformada de Laplace Partindo de uma analogia entre o subsistema fonte e o subsistema carga conforme Fig 6 1 SUBSISTEMA FONTE SUBSISTEMA CARGA Fig 6 1 An lise de pequenos sinais A partir de uma compara o entre as equa es de an lise de sistemas 22 conclui se que Tm o ganho em malha aberta do sistema como pode ser visto na Tab 6 1 158 Tab 6 1 Comparac o entre sistemas de malha aberta e fechada Sistema de Alimentac o em Cascata Elemento Sistema em Comparado Malha Fechada Diagrama de Blocos Diagrama G s Equivalente 1 G s H s Fe s Fs s Zs s Ze s Fun o de usc G s FT s Transfer ncia 9 1 Gs Hs Ganho do La o Tm s G s Hs A intera o dos sistemas ser avaliada a partir do m dulo de Tm da seguinte forma e Analise Modular ITml 1 Ao garantir a magnitude de ganho de malha aberta do sistema Tm muito menor que 1 se afirma que os sistemas est o desacoplados Assim cada sistema se modela de forma independente A estabilidade ser garantida se o subsistem
97. ma o qual chamaremos de sistema promediado O circuito promediado mostrado na Fig 5 28 122 Eq 5 54 Eq 5 55 Termo n o linear Fig 5 28 Circuito promediado do conversor elevador 5 6 2 Linearizac o Ao linearizar o circuito a frequ ncia natural menor que a freqii ncia de comuta o Sendo assim pode se tratar estas componentes em separado Supondo que as vari veis e os par metros s o compostos por um termo constante e uma pequena perturba o ao seu redor xeX EX Eq 5 56 u U Eq 5 57 d D 4 Eq 5 58 Substituindo estas express es no modelo comutado anterior obt m se um modelo na forma 5 A B Ed Eq 5 59 123 Equa o a partir da qual se pode obter as diferentes fun es de transfer ncia de interesse Como exemplo pode se supor que a fun o de transfer ncia ciclo de trabalho sa da em malha aberta tem a forma sX s AX s BU s ED s Eq 5 60 D s s Z H G 5 5 X s 5 26 w Ww Pee f lt lt f Eq 5 62 Donde G Z Ce w s o par metros que dependem dos par metros do circuito em estado estacion rio e f a freq ncia natural do circuito e f a freqii ncia de comuta o A seguir apresentado como se d a lineariza o dos termos 1 4d x e 1 d x termos estes que n o s o lineares e a obten o das matrizes e dos vetores A B e E 1 d x x dx gt X D d X 4 gt Xp DX o D dX 4
98. ma grande vantagem para esta c lula uma vez que n o utiliza combust veis f sseis nem poluentes ao meio ambiente 1 6 9 Curva de carga t pica A tens o a vazio circuito aberto da reac o em cada uma das c lulas que contribuem para a forma o de gua de aproximadamente 1 2 V temperatura ambiente Sob solicita o de carga uma c lula unit ria pode fornecer uma tens o cont nua entre 0 6 V e 1 0 V para densidades de corrente que variam segundo o tipo de c lula entre 0 15 e 1 0 A cm A curva da tens o de uma c lula de combust vel t pica em fun o da demanda de corrente pode ser vista na Fig 1 3 28 0 0 2 0 4 0 6 0 3 Ipc Fig 1 3 Curva da tens o em func o da corrente 1 7 Conclusao Este cap tulo tem por objetivo apresentar o sistema de alimentag o proposto descrevendo os objetivos e contribui es da disserta o assim como sua organiza o Explicar as c lulas de combust vel situando desde a inven o te rica do modelo inverso da eletr lise at aplica es recentes Descrevendo o funcionamento da c lula como conversor eletroqu mico e suas caracter sticas na gera o de energia el trica limpa Nos pr ximos cap tulos ser o abordadas as etapas do processamento da energia gerada pela c lula de combust vel 29 CAPITULO 2 ESTUDO DO CONVERSOR FONTE FORMADO PELO MODULO COMERCIAL DE CELULAS A COMBUSTIVEL INDEPENDENCE 2 30 2 ESTUDO DO CONVER
99. n lise experimental das formas de onda e do inversor 53 3 5 1 An lise das formas de onda do inversor comercial sse 53 3 5 2 Testes com Cargas Resistivas 56 3 6 Mod eT 57 Dimensionamento Da Estrutura De Pot ncia E Comando Do Conversor Elevador 59 4 1 Hsec ON 59 4 2 Estrutura e Etapas de Opera o do Conversor Elevador eere 59 4 3 Equacionamento da Estrutura de Pot ncia do Conversor Elevador 61 4 3 1 Dimensionamento do Indutor sse ennt nnne nre 63 4 3 70 Dimensionamento do Capacitor o oonononcnncnicnnonocnnonncnconcnncononononno eene nennen trennen nennen 71 4 3 3 Dimensionamento dos Interruptores 73 4 3 4 C lculo T rmico dos Semicondutores ccccececcceseesseseeseesecsseeeceeesceeceaeeeceaecseeeeseeeeseaseeeeaeenees 76 4 4 Projeto do Est gio de Pot ncia do Conversor 80 4 4 4 Preliminares cares ges e sedere eet ette ee e 80 4 4 2 Dimensionamento e Projeto F sico do Indutor 82 4 4 3 Dimensionamento do Capacitor 88 4 4 4 Dimensionamento do Interruptor trennen trennen 90 4 45 Dimensio
100. na o do valor de Rb para um regulador de tipo 3 A determina o de Rb obtida a partir da hip tese de alta imped ncia de entrada do amplificador operacional A tens o de realimenta o que entra nos terminais do amplificador operacional V deve ser menor que a tens o de alimenta o destes Sendo assim a tens o V deve ser menor que 15 V Sendo a tens o de sa da do conversor elevador V 270 V a tens o intermedi ria uma rela o entre e Rb conforme a Eq 5 115 V Eq 5 120 R R Rearranjando a Eq 5 115 poss vel encontrar o valor de Rb a partir do valor que se deseja na tens o intermedi ria V fazendo RV R 0 1 Eq 5 121 V ea E 5 8 Defini o do Modelo de Simula o do Conversor Elevador 136 Na Fig 5 34 apresenta se o modelo de simula o do sistema em malha fechada mostrado o conversor elevador com os valores de seus componentes dimensionados no cap tulo 4 Em sua entrada foi colocada uma fonte CC de 48 V representando o banco de baterias ou o pr prio m dulo de c lula combust vel Sua sa da est ligada entrada do regulador tipo 3 presente dentro do quadro verde respons vel pelo ajuste de ganho e fase do sistema possuindo sa da negativa para o fechamento do la o de regula o Fig 5 34 Modelo de simula o do conversor elevador O modulador PWM respons vel por fazer a compara o entre o sinal que sai do regulador
101. na ondula o de corrente considera se a varia o da tens o de entrada Isolando a raz o c clica D na equa o Eq 4 9 substituindo na equa o Eq 4 13 e reordenando os termos tem se a equa o Eq 4 14 G 1 Al pa Eq 4 14 Dividindo ambos os lados da igualdade da Eq 4 14 por Vimax pode se efetuar uma parametriza o Assim as equa es Eq 4 15 e Eq 4 16 podem ser escritas Al L AP EE Eq 4 15 e AL y E Eq 4 16 Tomando V Vimax como par metro e tendo a ondula o de corrente parametrizada em fun o do ganho est tico G a partir da Eq 4 16 poss vel tra ar as curvas da Fig 4 6 Para uma dada tens o de entrada Vie ganho est tico G pode se estabelecer um limite para as curvas da Fig 4 6 baseado na tens o m xima de sa da do conversor A Eg 4 17 representa a situa o limite GV V Eq 4 17 imax omax 65 Isolando Vi na Eq 4 17 e substituindo na Eq 4 16 obt m se a Eq 4 18 para a ondulag o de corrente limite parametrizada AJ Com a Eq 4 18 poss vel tra ar a curva limite para um dado projeto onde se conhece Vomax V G 1 Llim G V G imax Ondulac o de Corrente Parametrizada Al Ganho est tico q Vo Vi Fig 4 6 Ondula o da corrente parametrizada AIL variando Vi Vimax como par metro 4 3 1 2 Projeto F sico do Indutor A corrente m dia que passa pelo indutor pode ser calculada a partir do balan o de energ
102. namento do Diodo sess nennen enne nnne 92 4 5 Conclis es e M Q 95 Estudo Do La o De Regula o Do Elevador eee eee eee eee eene eene tn etn 97 5 1 Considera es Iniciais a Respeito dos eee eee eee ee eerte enun 97 5 2 Hog 99 52 1 Interruptor PWM em Regime Permanente 101 5 2 2 Vantagens e desvantagens da aproxima o do interruptor PWM para sistemas de alimenta o contendo conversores CC CC em MCC 105 5 3 MOM er 105 5 3 1 Modelamento Comportamental da Satura o seen 106 5 4 Regulador ou Compensador ce ee eee ee ee eee eerte seen ee etta see seta aset enses eene s toss sten aestas a 107 5 5 Defini o da Fun o de Transfer ncia do Sistema eese eere eren eene ettet 111 5 5 1 Fun o de Transfer ncia do Regulador esee rennen 111 5 5 2 Fun o de Transfer ncia do Conversor Elevador em Modo de Condu o Continua 114 5 6 Modelamento Promediado do Conversor Elevador em Modo Cont nuo 118 5 6 1 Promediado das Equa es de Estado sse 119 5 6 2 Lineariz
103. nar se vermelha simultaneamente 43 CABHEGADOR Baterias internas instaladas DE BATERIAS N O SIM FONTE DE ENERGIA Banco de baterias conectado SIM T GS mar ero 1 Pressione at as luzes ligarem AQUECENDO Judae pun d E DESLIGAR Pressione at 7 ficar mA oe gt EE Abra os contatos Fig 2 8 Procedimento de opera o como carregador de baterias azul e como fonte de energia preto 2 6 3 Manuten o O Independence 1000 desenvolvido para funcionar durante horas de servi o com manuten o m nima Manuten o apropriada ir ajudar a maximizar a vida til do gerador As conex es de hidrog nio devem ser testadas contra vazamentos cada vez que o cilindro de hidrog nio conectado ou desconectado Mantenha livre de sujeiras Limpando o filtro de ar a cada 3 meses ou 100 horas de opera o o filtro de ar deve ser inspecionado e limpo se necess rio 44 Conversor CC se o conversor CC para de operar esta unidade pode ser substitu da removendo se os dois parafusos do conversor e retirando se a parte met lica para fora do Independence 10007 27 Modelamento de uma C lula de Combust vel T pica As c lulas de combust vel devido sua baixa tens o s o ligadas em s rie formando pilhas ou como usualmente utilizado na bibliografia stack A simula o feita no ORCAD atrav s do circuito represe
104. ncia L na Eq 4 15 Assim substituindo o valor lido para o ponto m ximo bem como os valores especificados na Tab 4 1 para a tens o m xima de entrada a ondula o de corrente m xima no indutor e a freq ncia de comuta o obt m se a Eq 4 81 AI V max 0 74 53V L fo 4A 20kHz 490 4H Eq 4 81 A 4 4 2 2 Projeto F sico do Indutor Para o caso em que se tem G 5 63 e Vi 48 V o sistema opera na condi o nominal Conhecendo o valor de indut ncia calculado na Eq 4 81 a ondula o de corrente para a condi o nominal calculada com o uso da Eq 4 15 fazendo as substitui es necess rias como mostra a Eq 4 82 83 Ving 0 74 53 A UL A ae L f 4904H 20kHz Lnom 00A Eq 4 82 Assim substituindo se os valores obtidos nas equag es Eq 4 74 e Eq 4 82 na Eq 4 20 obt m se a corrente m xima no indutor apresentada na Eq 4 83 AI Lus Log 23 15 00 25 154 Eq 483 Substituindo os valores de projeto na Eq 4 22 obt m se a Eq 4 84 LI 4904H 25 15A Acci gio PUTOS cuc tit Eq 4 84 k Bax Y 0 4 0 3T 250A cm w max max Conhecendo o resultado obtido na Eq 4 84 escolhe se o n cleo do tipo NEE Os principais dados desse n cleo encontram se na Tab 4 2 Tab 4 2 Dados do n cleo de tipo NEE Especifica o Valor rea da perna central Ae 32 50 cm rea da janela do carretel Aw 10 26 cm Produto das reas AeAw 333 45 cm Com
105. nente Valor Encontrado Valor Comercial R 100 kQ 100 kQ R 69 Q 68 Q R 191 Q 200 Q C 175 uF 180 uF C 335 nF 330 nF C 121 nF 120 nF R 1 5 KQ 1 5 KQ 5 10 Resultados de Simula o Com os valores dos componentes encontrados na se o anterior foi simulado o circuito compensador de tipo 3 visto na Fig 5 37 no programa PSIM Verificando que em sua sa da foi colocado um inversor de ganho unit rio pois este circuito em malha fechada respons vel por uma realimenta o negativa Assim foram obtidas as formas de onda corretas 141 Fig 5 37 Compensador tipo 3 com os componentes apresentados na Tab 5 1 Conforme visto na se o anterior o regulador foi projetado para apresentar um ganho de 36 dB na freqii ncia de 300 Hz e uma fase de 80 nesta mesma freqii ncia pois assim tem se 60 de margem de fase visto que a fase do conversor em 300 Hz vale 200 somada a inser o de 80 resultar em 120 Esta fase menos 180 resulta na margem de fase de 60 A resposta em freq ncia do compensador da Fig 5 37 pode ser vista na Fig 5 38 0 01 0 02 0 04 0 060 0 10 0 20 0 40 0 60 0 80 00 2 00 4 00 6 008 000 00 Frequency KHz Fig 5 38 Resposta em freqii ncia do regulador tipo 3 implementado no PSIM Na Fig 5 38 observado que na freqii ncia de 300 Hz a magnitude 36 dB e a fase de 80 conforme o esperado Tendo o regulador dimensionado o
106. nnes 114 Fig 5 22 Modelo promediado do est gio de pot ncia do conversor elevador see 115 Fip 5 23 Diagrama d DIO COS so sn IEEE RI eee ade 119 Fig 5 24 Formas de onda comutadas sem promediado SP e promediada esee 120 Fip 5 25 Conversor elevador ius aec RI ht P I eH RI eee deis 120 Fip 5 26 etapd de opera o usns d nd tein e Rm imeem RI d nee enn 120 Fip 5 27 2 etapa de Operac o eed ro eorpore Dr Or DO HR TRE 121 Fig 5 28 Circuito promediado do conversor elevador eene eene nennen 122 Fig 5 29 Circuito promediado do conversor elevador 124 Fig 5 30 Resposta em freq ncia do conversor elevador promediado eee 125 Fig 5 31 Circuito para simula o do conversor elevador no software PSIM sene 125 Fig 5 32 Resposta em fregii ncia do conversor elevador no software PSIM essere 126 Fig 5 33 O fator a partir da caracter stica de m dulo do amplificador de erro tipo 3 esses 127 Fig 5 34 Modelo de simula o do conversor elevador 136 Fig 5 35 Resposta do conversor elevador sem compensador eene mene 138 Fip 5 36 Compe nsador fipo Tico ee Gn eec er OUR RERO PEPPER da ORO ORO GERE 138 Fig 5 37 Compensador tipo 3 com os componentes apresentados na Tab 5 1 sse 141 Fig 5 38 Resposta em freq ncia do regu
107. nstante igual ao ciclo de trabalho d D de forma que se obt m as equa es entre tens es e correntes no ponto de opera o dos principais conversores As rea es do interruptor se modificam atrav s de um transformador de corrente cont nua com seus terminais identificados como p de acordo com o circuito da Fig 5 11 gt J Fig 5 11 Representa o do interruptor PWM em regime permanente O ponto de opera o do circuito determinado por um par de fontes controladas de acordo com a Fig 5 12 D Ic Ic PES gt NS C D Vap lt Fig 5 12 Interruptor PWM em regime permanente 105 5 2 2 Vantagens e desvantagens da aproxima o do interruptor PWM para sistemas de alimenta o contendo conversores CC CC em MCC As principais vantagens do m dulo do interruptor PWM para sistemas em grande sinal s o e o m dulo se implementa em um simulador multin vel e o m dulo permite introduzir uma infinidade de tipos de excita o e disp e se de ferramentas de an lise e torna a simula o mais r pida e no simulador multin vel o m dulo se implementa em um m dulo de portas com um esbo o do diodo e do interruptor o que torna o m dulo mais f sico em rea o implementa o com fontes controladas e o m dulo vale para grandes sinais no modo de condu o cont nuo e o m dulo se gene
108. ntado na figura Fig 2 9 42 tem o objetivo de obter a resposta em frequ ncia da c lula de combust vel R3 C1 R2 cz R6 R4 M H 800000 0 0115 900000 Ri R5 40 8 vdc 1vac Fig 2 9 Circuito de pilha associado em s rie e paralelo A resposta no dom nio da freq ncia do modelo demonstrado em magnitude e fase conforme Fig 2 10 188d 8d T SEL 188d 1 8Hz 18Hz 188Hz 1 8KHz 18KHz 188KHz 1 8HHz 18HHz P U R7 2 Frequency Fig 2 10 Resultado da simulac o no dominio freqii ncia da pilha 45 2 8 Resultados Experimentais A partir do estudo de c lulas de combust vel e das caracter sticas t cnicas do m dulo adquirido para este trabalho foram feitos ensaios no m dulo provenientes de sua opera o Foram adquiridas 25 l mpadas de 40 W de 48 V para serem ligadas diretamente ao m dulo obtendo se assim a pot ncia nominal da Independence Conforme o estudo feito verifica se a atua o da prote o caso sejam aplicadas cargas superiores a 500 W antes de 15 minutos tempo de aquecimento Para a aquisi o dos dados abaixo demonstrados entre o in cio da opera o e a aplica o de carga foram dados 45 minutos de opera o a vazio para aquecimento do m dulo Ap s esse per odo foi ligada uma l mpada de cada vez ao m dulo obtendo o gr fico abaixo mostrado na Fig 2 11 Tens o C
109. o calculado na Eq 4 73 1 1 50015 Eq 4 73 A corrente m dia no indutor igual corrente m dia de entrada obtida substituindo se os valores da Tab 4 1 na Eq 4 18 como apresentado na Eq 4 74 Lima L 23 15A Eq 4 74 O valor da corrente de carga nominal pode ser calculado pela Eq 4 43 como mostrado na Eq 4 75 P 1000W V 270V 3 70 Eq 4 75 A resist ncia nominal de carga calculada na Eq 4 76 0100 1 3 70A o 72 90 Eq 4 76 O ganho est tico do conversor em condi o nominal pode ser calculado pela Eq 4 7 como apresentado na Eq 4 77 OV 270V mm V 48V 1 5 63 Eq 4 77 Assim isolando D na Eq 4 9 e utilizando o valor obtido na Eq 4 77 obt m se a raz o c clica nominal mostrada na Eq 4 78 82 G 1 5 63 1 D nom 0 82 G 5 63 Eq 4 78 nom 4 4 2 Dimensionamento e Projeto F sico do Indutor 4 4 2 1 C lculo da Indut ncia No caso em que a ondula o m xima o c lculo da indut ncia pode ser realizado Assim com a substitui o dos valores apresentados na Tab 4 1 nas equa es Eq 4 16 e Eq 4 18 obtendo respectivamente as equa es Eq 4 79 e Eq 4 80 Nr es eJ Eq 4 79 VG SOV MG a Vus _270 5 6 1 Gel 278 esa G 5 10 E Eq 4 80 No ponto em que h a m xima ondula o o valor da indut ncia obtido isolando a indut
110. o n cleo para o qual o projeto ser realizado pode ser feita com o aux lio da Eq 4 21 27 LL AcAw PEE HE Eq 4 21 k Bol w max max 67 Desprezando a ondula o da corrente e adaptando a unidade de AeAw para cm pode se adotar a Eq 4 22 O fator 10 na Eq 4 22 foi acrescentado para ajuste de unidade cm Para n cleos de ferrite usuais o valor de Bmax fica em torno de 0 3 T este valor devido curva de magnetiza o dos material magn tico O valor da densidade de corrente que indica a capacidade de corrente por unidade de rea depende dos condutores utilizados nos enrolamentos tipicamente utiliza se 250 A cm Os fabricantes de n cleos disponibilizam alguns tamanhos e formatos padr es de n cleos e por este motivo deve se selecionar o n cleo com o AeAw maior e mais pr ximo do calculado EN ne AeAw E 10 Eq 422 As grandezas e unidades envolvidas na Eq 4 22 s o Ae cm rea da sec o transversal do n cleo Aw cm rea dispon vel na janela do carretel L H Indut ncia I A Corrente m xima no enrolamento do indutor Lmax k Fator de ocupa o da janela do carretel B T M xima densidade de fluxo magn tico max A cm m xima densidade de corrente el trica max O projeto f sico do indutor baseado nas Leis de mpere e de Faraday Tamb m s o rela es importantes a rela o volt mpere no indutor e a rela o entre ind
111. o 3 possuir margem de fase de 30 e redu o de 36 dB no ganho da freq ncia de corte de 300 Hz escolhida para ele A margem de fase de 30 foi escolhida devido ao fato de que responde 10 vezes mais r pido ao degrau de tens o na entrada do que quando possui margem de fase de 60 Mesmo sendo mais lento ao degrau de carga apenas 2 vezes mais lento Se fosse 10 vezes mais lento teria que se fazer a an lise do que mais cr tico no sistema a varia o da tens o de entrada ou a varia o da carga Observando que para um conversor elevador com componentes distintos deste trabalho o regulador assim como suas especifica es n o s o obrigatoriamente as melhores solu es 156 CAP TULO 6 ESTUDO DA ESTABILIDADE PARA PEQUENOS SINAIS NA CONEXAO DOS M DULOS 157 6 ESTUDO DA ESTABILIDADE PARA PEQUENOS SINAIS NA CONEX O DOS M DULOS 6 1 Introdu o Neste cap tulo ser o empregados os conceitos de estabilidade descritos em 22 com o objetivo de se analisar a estabilidade do sistema atrav s do estudo das imped ncias de entrada e sa das dos m dulos O modelo promediado foi desenvolvido para viabilizar a simula o em pequenos sinais e baixas fregii ncias a fim de viabilizar a an lise do sistema em estudo no dom nio da freq ncia A proposta de utiliza o do modelo promediado permite abordar a estabilidade de conex o de sistemas Uma vez que a raz o das imped ncias denominada Tm te
112. o do est gio de pot ncia do conversor elevador Este conversor ter sua entrada conectada a um banco de baterias composto de 4 baterias chumbo cido com tens o nominal de 48 V A tens o de sa da do conversor elevador ser conectada ao barramento CC do inversor CFW 07 do fabricante WEG Este barramento opera tens o nominal de 270 V Realizadas estas observa es as especifica es do conversor elevador encontram se na Tab 4 1 Tab 4 1 Especifica es do conversor elevador Especifica o Valor Pot ncia nominal de sa da Po 1000 W Tens o de entrada nominal m nima Vi Vimin 42 V Tens o de entrada m xima Vimax 53 V Tens o de sa da minima Vomin 269 25 V Tens o de sa da nominal Vo 270 V Tens o de sa da m xima Vomax 270 25 V Freq ncia de comuta o fs 20 kHz Ondula o de corrente m xima no indutor AILmax 4A Ondula o de tens o maxima no capacitor de sa da AVomax lt 500 mV Rendimento estimado n 0 9 Os valores extremos da tens o de entrada s o baseados em testes efetuados com estas baterias que conectadas em s rie a uma carga composta por 20 l mpadas incandescentes demonstrou uma varia o na ordem de 10 em rela o tens o nominal de 48 V Os valores extremos da tens o de sa da s o baseados na m xima ondula o que se deseja no capacitor de sa da 26 4 4 1 C lculos Preliminares 81 O per odo de comuta
113. o do ponto de opera o de regime do conversor Para as formas de onda da Fig 5 7 e Fig 5 8 onde a tens o v t instant nea tem um valor constante em um per odo surgem as seguintes equa es promediadas v D V Eq 53 I DI Eq 54 que s o constantes para todos os conversores da Fig 5 3 Em conversores mais complexos as Eq 5 3 e Eq 5 4 nao sao tao simples Como exemplo o conversor da Fig 5 10 que inclui um filtro na entrada onde o capacitor tem uma resist ncia parasita rcf Lf c L CY Y YY EL CENNA dE Ve ZA 2 R G Fig 5 10 Conversor redutor com filtro de entrada 104 Se a resist ncia rcf fosse igual a zero a tens o instant nea Vpt seria constante e sua ondula o desprez vel Neste caso as formas de onda promediadas das Fig 5 4 a Fig 5 9 e as Eq 5 3 e Eq 5 4 ter o validade no ponto de opera o de regime permanente uma vez que a ondula o sobre a tens o 0 instant nea foi considerada nula O conversor redutor com um filtro de entrada representado na Fig 5 10 o mais did tico para explicar a influ ncia da tens o v t instant nea neste m dulo promediado Como resumo do que foi visto anteriormente para modo de condu o cont nuo o m dulo de regime permanente do interruptor PWM pode ser representado por um transformador de corrente cont nua com uma equa o de transforma o co
114. o hidrog nio est o sendo desenvolvidos como em 23 onde se obt m o hidrog nio a partir da gua com microorganismos uma solu o biol gica para extrair o hidrog nio da gua sem gastos de energia nem polui o do meio ambiente 1 6 7 Aplica es As c lulas a combust vel est o presentes em in meras aplica es O tipo de aplica o determinado pela viabilidade econ mica que se baseia nos recursos naturais dispon veis 226 O uso em meios de transporte iniciou se nas embarcag es mar timas onde al m da energia tamb m aproveitada a gua pot vel resultante do processo Ap s constatou se seu uso nas aplica es automotivas nas quais as montadoras est o buscando alternativas para o uso de combust veis f sseis desenvolvendo prot tipos com c lulas a combust vel e energia solar Existem tamb m c lulas a combust vel aplicadas a computadores e telefones celulares com o objetivo de manter os equipamentos por longos per odos desconectados da rede el trica Em aplica es estacion rias cujo objetivo n o interromper o fornecimento de energia a equipamentos aplica es das mais variadas para as c lulas a combust vel t m sido estudadas em que existem sistemas desde 500 W at sistemas que podem chegar a pot ncias na ordem de MW Onde o planejamento estrat gico pede uma solu o pr xima dos centros de consumo est o sendo utilizadas c lulas a combust vel que podem atingir at 11
115. o para simular degrau de carga com um regulador com margem de fase de 60 151 Fig 5 52 Resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 60 usus 152 Fig 5 53 Amplia o da resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 60 152 Fig 5 54 Circuito utilizado para simular degrau de carga com um regulador com margem de fase de 30 153 Fig 5 55 Resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 30 sess 153 Fig 5 56 Amplia o da resposta ao degrau de carga utilizando um regulador com margem de fase de 30 154 Fig 6 1 An lise de pequenos sinais socane nener patos ta dio 157 Fig 6 2 Circuito para obten o de imped ncia de sa da de uma c lula de combust vel t pica 160 Fig 6 3 Imped ncia de sa da do subsistema fonte c lula de combust vel seen 160 Fig 6 4 Circuito para obten o de imped ncia de entrada do conversor elevador sss 161 Fig 6 5 Imped ncia de entrada do subsistema carga conversor elevador sse 161 Fig 6 6 Tm Zs Ze da primeira conex o do sistema eese eene enne nennen rennen enne 162 Fig 6 7 Circuito para obten o de imped ncia de sa da do conversor elevador sss 163 Fig 6 8 Imped ncia de sa da do segundo subsistema fon
116. o que o sistema sofra uma varia o de 10 na tens o de entrada V do sistema ou seja a tens o V variando entre 43 V e 53 V a sa da deve permanecer constante em 270 V A Fig 5 46 apresenta o comportamento a uma onda quadrada na entrada para uma varia o de tens o entre 43 V e 53 V a uma freq ncia de 10 Hz 5 Hz e 1 Hz BLUT KL Vo Mi 350 00 300 00 Resposta da tens o i e M Hs c e Me 4 250 00 lps yw y 20 00 s Er A otn C E i rr seen 1501001 me ec A Vd n dp LE ieee 100 00 E Tens o de entrada NE TREDIUM no 50 00 0 00 1 00 1 50 O Time s a KL Vo Vi 350 00 r 300 00 Resposta da tens o eee faco ez gt faz 77 28000 A e E e n 200 00 desse cs Ecs cus sua RR ed 150 00 PARAS 86 eee ee ee E LE 10000 CREE A Tens o de entrada Corrente no indutor x LLL neh no 0 1 00 1 50 2 00 Time 5 b KL Wo Vi 350 00 300 00 r Resposta da tens o 250 00 200 00 150 00 100 00 50 00 0 00 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 Time 5 c Fig 5 47 Resposta para degraus entre 43 V e 53 V a uma freq ncia de a 10 Hz b 5 Hz e c 1 Hz 148 Percebe se na Fig 5 47 claramente que o regulador tenta manter o sistema em 270 V Quando a freqii ncia de oscila o na entrada de 10 Hz e 5 Hz o sistema n o tem tempo suficiente para entrar em regime e corrigir a tens o de sa da e
117. obtida calculada com o aux lio da Eq 4 72 como apresentado na Eq 4 124 T spe Et Ry oA Reg R th jc th cd th da Ls m Eq 4 124 40 C 2 22C W 5 7 C W 8 04W 103 5 C Assim obt m se temperatura abaixo do limite estabelecido 4 5 Conclus es Neste cap tulo foi apresentada a an lise do conversor elevador metodologia de projeto e dimensionamento dos componentes do est gio de pot ncia para a aplica o proposta A corrente de entrada do conversor elevador pode ser representada apenas pelo valor m dio desde que especificada pequena ondula o Isso representa vantagem nessa aplica o pois o efeito da ondula o de corrente no desempenho e vida til da c lula a combust vel ainda n o bem entendido 30 No conversor elevador a tens o m xima aplicada sobre o interruptor e a tens o reversa m xima sobre o diodo s o iguais tens o de sa da Apesar da tens o de sa da ser maior que a de entrada ainda assim para as especifica es desse projeto foi poss vel a escolha de semicondutores para baixa tens o 600 V Na escolha do capacitor de sa da do conversor o crit rio mais restritivo foi a corrente eficaz Optou se pela utiliza o de apenas um capacitor na etapa de pot ncia do conversor elevador visto que a resist ncia equivalente e capacidade de corrente dependem de fatores como frequ ncia temperatura e desvios No caso de mau funcionamento do conversor pode ser necess ria a associa o
118. ontrole do conversor elevador 166 188 188mHz 1 8Hz 18Hz 188Hz 1 8KHz 18KHz 188KHz Frequency Fig 5 19 Resposta em freq ncia da magnitude azul e fase verde do compensador tipo 3 1 Como este compensador deve ser utilizado em malha fechada e a realimenta o controlada por ele deve ser negativa um inversor de ganho unit rio deve ser colocado na sua sa da para a correta visualiza o do diagrama de Bode 5 5 Defini o da Fun o de Transfer ncia do Sistema 5 5 1 Fun o de Transfer ncia do Regulador Como Rb simplesmente uma resist ncia de polariza o a fun o de transfer ncia do regulador se obt m calculando os valores das imped ncias Zo e Zi mostradas na Fig 5 23 O valor de Zo indicado na Fig 5 22 se calcula atrav s da Eq 5 19 Zo C2M Rat Ci Encontrando um denominador comum 1 semen SC SC s Ci R2 I SCi s C Co 5 s C2 R3 s C 2 s 1 isolando os tem se em s At 5 C Ra I SC Rx I S SC Co 5 C C3 R2 Cj 2 scs C C aen Ci C O valor de Zi se determina atrav s da associa o paralela indicada na Fig 5 22 Eq 5 19 Eq 5 20 Eq 521 112 rr Zi Ri R3 C3 2 7 Eq 5 22 Rit SC3 Encontrando um denominador comum e simplificando resulta Ri s Rs Cs 1 S C3 Ri s R3C3 1 Zi Eq 5 23 SR C3 5R3C341 S R C3 R3C 1 S C3 Fazendo
119. oposto os objetivos as etapas desta disserta o e as principais contribui es esperadas Ser desenvolvida a revis o bibliogr fica resumida apresentando aspectos hist ricos e a descri o do princ pio de funcionamento da c lula de combust vel e do sistema a ser implementado A principal proposta desta disserta o consiste em estudar e implementar um sistema de alimenta o eletr nico trif sico para aplica o com c lulas de combust vel A proposta faz parte de um projeto de P amp D da ANEEL e consiste no Estudo e Aplica es de C lulas de Combust vel na Gera o de Energia A parceria firmada entre a PUC RS e a CEEE O objetivo obter um sistema de alimenta o eletr nico trif sico de 127 220 V 60 Hz a partir de um m dulo comercial de c lulas de combust vel de 1 kW podendo alimentar cargas de corrente alternada como l mpadas ou trif sicas como motores 1 2 Descri o do Sistema de Alimenta o O sistema de alimenta o a ser desenvolvido ser formado por tr s etapas b sicas a A c lula de combust vel geradora de energia b O conversor elevador est gio para compatibilizar a tens o da fonte com o inversor c O inversor est gio final onde a energia ser entregue com frequ ncia e tens o comercial O esquema do sistema de alimenta o pode ser visualizado na Fig 1 1 M dulo C lula de Conversor Inversor Combust vel Comercial Carga de Reco Trif sico at 1kW Fig 1 1 Esquema do
120. orrente Pot ncia 10 Tous 30 ALS 15 75395 2235325 Fig 2 11 Gr fico com os resultados experimentais da c lula de combust vel Abaixo a foto das 25 lampadas ligadas ao m dulo como pode ser visto na Fig 2 12 mostrada abaixo 46 Fig 2 12 Foto do teste feito no m dulo Independence Como a tens o na c lula n o se manteve em 48 V a pot ncia m xima atingida nesse ensaio foi de 820W abaixo da nominal do m dulo As l mpadas de 48 V n o s o facilmente encontradas no com rcio e por esse motivo o teste n amp o foi refeito at a carga nominal 2 9 Conclus es Foram apresentadas neste cap tulo informa es gerais a respeito do m dulo INDEPENDENCE 1000 respons vel por fornecer corrente ao banco de baterias A pot ncia de sa da do m dulo de 1000 W a 48 V Foi visto que para manter essa tens o est vel na sa da possivelmente h em seu interior um conversor elevador com sistema de regula o que tem fun o semelhante do conversor elevador auto regulado proposto neste trabalho sendo que este alimenta um inversor a partir de um banco de baterias Informa es a respeito da seguran a do m dulo e manuseio do hidrog nio foram destacadas pois trata se de um g s inflam vel A tubula o do sistema de alimenta o de hidrog nio foi exposto inclusive com gravuras para melhor compreens o O procedimento de opera o foi detalhado desde a montagem do m dulo at s
121. ospace and Eletronics Systems Magazine Nov 1992 p 24 25 Rashid Muhammad H Eletr nica de Pot ncia Circuitos Dispositivos e Aplica es Editora Makron 1995 Yeary M Sangsun Kim Enjeti P King G Design of an embedded DSP system for a fuel cell inverter Acoustics Speech and Signal Processing 2002 Proceedings ICASSP 02 IEEE International Conference on Volume 4 13 17 May 2002 Pages IV 3824 IV 3827 vol 4 Kowalenko K Distributed power offers an eletric utilities The Intitute IEEE vol 25 n 5 2001 Nergaard T A Ferrel J F Design considerations for a 48V fuel cell to split single phase inverter system with ultracapacitor energy storage conferencia IEEE Power Eletronics Specialist 2002 Ellis M W Von Spakovsky M R Nelson D J Fuel cell systems efficient flexible energy conversion for the 21st century Proceedings of the IEEE volume 89 Issue 12 Dec 2001 Page s 1808 1818 Laughton M A Fuel cells Engineering Science and Education Journal Volume 11 Issue 1 Feb 2002 Page s 7 16 Wingelaar P J H Duarte J L Hendrix M A M Computer controlled linear regulator for characterization of polymer electrolyte membrane fuel cells PEMFC Industrial Electronics 2004 IEEE International Symposium on Volume 2 4 7 May 2004 Page s 821 826 vol 2 Weg Automa o Ltda Manual do Inversor de Frequ ncia CFW 07 Local Jaragu do Sul SC Ano 2002
122. osssoesscsssesssesssenssessssssssnassnes 34 2 5 1 Especifica es do Local de Instala o 35 2 5 2 Condicionamento do hidrog nio 36 2 5 3 Manuselo d hidrogeno iio at BUB EE DET iren E 37 2 6 Procedimento de Opera o do M dulo INDEPENDENCE cssscsssssssscssssssssecsscssessesesces 38 2 6 1 Instala o iss sai ette eel sementem M EO bee ERO eiut 38 PROPER CIIM READERS E ANE TER DURE ene ee ed decades RE N PR 40 2 6 3 Manuf nC aO eim recen te gra 43 2 7 Modelamento de uma C lula de Combust vel Tipica ssssscssssssssssssssssssssessscssssssseeees 44 2 8 Resultados Experimentais o vont e on TE Te ene bios 45 2 9 Conclus es c A 46 3 Estudo Do Conversor Carga Formado Pelo Sistema Inversor Trif sico Comercial 48 3 1 Introdu o eC INI 48 3 2 5 000 0 48 3 3 Diagrama em Blocos do Inversor WEG 07 aset 49 3 4 An lise do inversor para alimenta o CC 4 eee e eee eese esee ee eene testen ense taste tne t tesa eene 50 3 4 1 Adapta o do inversor WEG CEW 07 sess innen enne nenn nennen 50 34 2 Acesso ao barramento CC esee entr e eet eie e eee e eee irei Saes 51 3 5 A
123. para compara o dos resultados Logo de inicio percebeu se que ao contr rio do OrCAD n o existem v rios tipos de diodos e interruptores Ap s a simula o no PSIM do circuito de um conversor elevador id ntico ao simulado no OrCADO percebeu se que a simula o baseada no circuito promediado apresentando a mesma resposta em freq ncia do circuito promediado simulado no OrCAD conforme a Fig 5 32 indica Fig 5 31 Circuito para simula o do conversor elevador no software PSIM 126 amp vo3 100 00 80 00 60 00 40 00 20 00 0 00 20 00 0 00 50 00 100 00 150 00 200 00 250 00 300 00 0 01 0 02 0 04 0 06 0 0 0 10 0 20 0 40 0 600 801 00 2 00 4 00 6 003 00 Frequency KHz Fig 5 32 Resposta em freqii ncia do conversor elevador no software PSIM Comparando as figuras Fig 5 30 e Fig 5 32 percebe se que o PSIM realiza a simula o promediada do conversor elevador enquanto o OrCAD simula todas as n o linearidades dos componentes utilizados na simula o Em virtude disso e de se facilitar as simula es optou se por concluir as simula es no software PSIM Como prova de que as equa es promediadas Eq 5 35 a Eq 5 39 levam a resposta em freqii ncia de um conversor elevador promediado ser calculado o ganho est tico os p los zeros e fator de qualidade do conversor Guess A eun I DY 1 0 82 1 1 0 28 369rad
124. posto por uma pilha de c lulas combust vel ou seja um n mero determinado de c lulas combust vel dispostas em s rie a fim de se obter a pot ncia e voltagens necess rias na sa da do m dulo A tens o a vazio circuito aberto da rea o em cada uma das c lulas que contribuem para a forma o de gua de aproximadamente 1 2V temperatura ambiente Sob solicita o de carga uma c lula unit ria pode fornecer uma tens o cont nua entre 0 6V e 1 0V para densidades de corrente que variam segundo o tipo de c lula entre 0 15 e 1 0 A cm De acordo com as especifica es de sa da 48 V a 1000 W e as de entrada que s o 8 cartuchos ligados em s rie cada um com um n mero de c lulas combust vel pode se concluir que a corrente a plena carga na sa da do m dulo INDEPENDENCE de 20 834 e que cada cartucho respons vel por 2 6A Sendo assim cada cartucho deve possuir nove c lulas de combust vel ligadas em s rie visto que a corrente m xima por c lula de 0 9A CMM Assim totalizam se 72 c lulas de combust vel em s rie respons veis por gerar uma corrente de 64 8 A a plena carga Como a tens o de cada c lula a plena carga 0 25 V obt m se de cada cartucho 2 25 V e na sa da do m dulo 18 V A pot ncia gerada nas c lulas seria ent o a multiplica o entre 18 v e 64 84 que resulta em 1166 W C lula Combustivel Entrega da Conversor 3 Elevador i Energia Fig 2 5 Diagrama de blocos do m dulo
125. pr ximo passo o teste em malha aberta desse circuito em cascata com o conversor elevador como apresentado na Fig 5 39 A Fig 5 40 a Eve apresenta a resposta em freqii ncia do conversor elevador sem o regulador e a Fig 5 40 b apresenta a resposta em freq ncia do sistema de regula o do conversor elevador em malha aberta 0 01 0 02 0 04 0 06 0 020 10 0 20 0 40 0 600 801 00 2 00 4 00 6 008 00 Frequency KHz a dig 10 00 20 00 40 00 60 00 80 0000 00 200 00 400 00 600 00800 01000 00 Frequency Hz b Fig 5 40 Resposta em freqii ncia do conversor elevador a sem regulador e b com regulador em malha aberta Atrav s da simula o para o sistema em malha aberta com compensador da Fig 5 39 verifica se sua resposta em freq ncia na Fig 5 40 b Nela observa se que na freq ncia de 300 Hz a magnitude de O dB e a fase que antes era de 200 agora de 120 o que nos indica uma margem de fase de 60 conforme as especifica es do regulador para o conversor elevador 5 11 An lise de Estabilidade do Conversor Elevador A resposta no dom nio tempo deste conversor pode ser vista na Fig 5 42 onde poss vel perceber que para uma entrada do tipo degrau com 48 V o sistema sofre um sobresinal que passa dos 500 V e se mant m bastante oscilat rio at sua estabiliza o por volta dos 3ms Na verdade este elevado sobresinal demonstra
126. primento m dio de uma espira lme 21 83 cm O n mero de espiras dado pela substitui o dos valores na Eq 4 23 como mostra a Eq 4 85 E Tigger AOE B Ae 0 3T 32 5cm 10 212 64 213 Eq 4 85 Substituindo se os valores na Eq 4 22 tem se o entreferro calculado na Eq 4 86 84 TN 132 47 107 H 32 5cm MA ag _13 am OT 32 Sem 8 0 14cm Eq 4 86 L 490uH Para cada perna lateral do n cleo substitui se na Eq 4 25 tendo a Eq 4 87 pe 0 07 Eq 4 87 A rea de se o de cobre necess ria do condutor dada pela Eq 4 26 Substituindo os valores tem se a Eq 4 88 Timm 25 154 S Lmax J 250A em max 0 10cm Eq 4 88 A profundidade de penetra o para a frequ ncia de comuta o escolhida dada pela Eq 4 27 A substitui o dos valores resulta na Eq 4 89 66 66 Nf 0 047cm Eq 4 89 O di metro m ximo do condutor calculado atrav s da Eq 4 28 como mostra a Eq 4 90 d max 2 A 2 0 047cm 0 094cm Eq 4 90 O efeito pelicular pode ser desconsiderado Nesse caso um condutor nico poderia ser utilizado Mas optando pela facilidade de manuseio durante a constru o do elemento magn tico ser o colocados condutores em paralelo O condutor escolhido o AWG25 por possuir di metro pr ximo profundidade de penetra o A Tab 4 3 mostra os dados principais desse condutor 85
127. que a eleva o na tens o cresceria sem fim como se observa pelo comportamento do indutor que atinge 250 A 144 Vi Ve WD 600 00 H 500 00 f 7 4mRMMeell 400 00 300 00 200 00 Tens o de entrada tipo degrau 100 00 Flies ooo oat PAETA y tra A a S Corrente no indutor 0 00 0 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 Time s Fig 5 42 Resposta do conversor ao degrau de tens o Considerando se a varia o de 10 na tens o de entrada de 48 V entre 43 V e 53 V aproximadamente e fazendo se com que o sistema composto somente pelo conversor elevador oscile entre essas tens es atrav s de degraus que se repetem a uma frequ ncia de 10 Hz o sistema praticamente torna se oscilat rio visto que n o consegue estabilizar antes do pr ximo degrau e sua tens o de sa da varia proporcionalmente com a tens o de entrada como pode ser visto na Fig 5 43 145 KL Vo Vi 800 00 500 00 Reel I ed Ls E da tens o LE Mau RE 300 00 L X 95 IX P CHEM ER ee ji er EE EE de entrada Comemtenoindutor ens o de entrada Corrente no indutor 100 00 NN m E AR 0 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 Time s Fig 5 43 Resultado da tens o de sa da com varia o da entrada entre 43V e 53V O mesmo teste feito agora com a adi o do compensador em malha fechada como mo
128. ra w w 40 G yo 22 Eq 5 38 2 1 ey 0 Q o Onde V G 7 do By Eq 5 39 1 Cir Eq 5 40 118 2 paea 22 Eq 5 41 x E 2 SS R 1 D R Eq 5 42 VL C R o R T Ly Eq 5 43 E CRER 5 6 Modelamento Promediado do Conversor Elevador em Modo Cont nuo Os conversores eletr nicos de pot ncia devido a sua natureza n o linear t m uma s rie de comportamentos n o lineares Para o estudo destes as t cnicas utilizadas s o quase sempre mediante a aproxima o destes sistemas n o lineares para sistemas lineares O comportamento din mico destes conversores tem sido estudado intensivamente especialmente os de primeira e segunda ordem O estudo de conversores de ordem superior a dois e de conversores conectados em paralelo raramente realizado embora sejam bastante importantes na pr tica O estudo ser realizado sobre um conversor elevador o qual trata se de um sistema n o linear que ser aproximado para um sistema linear atrav s da t cnica de promedia o e lineariza o no espa o de estados Obtendo o sistema linear pode se encontrar as fun es de transfer ncia assim como os diagramas de Bode em malha aberta e malha fechada A partir dessas fun es de transfer ncia torna se poss vel aplicar qualquer crit rio de estabilidade existente como a margem de ganho e margem de fase para assegurar a estabilidade do conversor dentro de uma faixa pr fixada Atrav s da Fig
129. raliza ainda mais com a proposi o a estruturas com m ltiplos diodos e m ltiplos interruptores e permite a simula o no dom nio do tempo e freq ncia e permite a r pida obten o das imped ncias de entrada e sa da dos circuitos As principais desvantagens do m dulo do interruptor PWM para sistemas em grande sinal s o e o m dulo se aplica somente quando a unidade opera em modo de condu o cont nua e a capacidade de simplifica o do m dulo se reduz devido a este fato 5 3 Modulador O PWM Pulse Width Modulator um dispositivo modulador por largura de pulso isto um circuito que gera um sinal quadrado de frequ ncia constante e largura vari vel Esta largura definida por um sinal cont nuo de controle o qual vai comparar com o sinal dente de serra ou triangular dando origem onda modulada O PWM projetado aqui se constitui essencialmente de duas partes distintas o gerador de onda dente de serra e o circuito comparador 106 VWente de serra m e Fig 5 13 Modelamento do modulador O sinal de sa da gerado pelo modulador que controla o interruptor fazendo o abrir nivel baixo ou fechar nivel alto 5 3 1 Modelamento Comportamental da Saturac o Como o m dulo do interruptor PWM um m dulo continuo no tempo o modulador utilizado se implementa com base na caracter stica que se ilustra na Fig 5 14 d Amin VO mi n Vemax Ve Fig 5 14 Caracteristic
130. resist ncia do fio comprimento do chicote e n mero de condutores em paralelo obt m se a resist ncia do enrolamento do indutor dada pela Eq 4 95 Q 0 0011 829 54cm o R _ P o chicote 0 03 10 Eq 4 95 b cobre n 29 cond As perdas joule s o calculadas com o aux lio da Eq 4 34 como mostra a Eq 4 96 Desprezando ondula o pode se utilizar ILer ILmax P cobre Rome 0 0310 25 134 18 99W Eq 4 96 No caso em que h ondulac o de corrente m xima a corrente na entrada pode ser calculada com o aux lio da Eq 4 19 como mostra a Eq 4 97 P 1000W I 20 96A L ond max n Vas 0 9 53V Eq 4 97 O valor de AB pode ser calculado como mostra na Eq 4 98 Al A Lmax B 4A a 0 17 20 019T max 20 96A Eq 4 98 L ond max 87 As perdas no n cleo s o calculadas pela substitui o dos valores na Eq 4 35 como mostra a Eq 4 99 P n cleo K EA K SD Vacas 24 2 Eq 4 99 0 0197 4 107 20kHz 4 107 20kHz 105 5cm3 0 012W A perda total no indutor a soma das perdas no cobre e no n cleo Fazendo uso da Eq 4 36 e substituindo os valores anteriormente calculados tem se a Eq 4 100 P n cleo 18 99W 0 012W 19 00W Eq 4 100 totais I us A resist ncia t rmica do n cleo obtida pela Eq 4 37 substituindo os valores tem se a Eq 4 101 0 37 0 37 Rt iro 23 Ae Aw 2
131. rsores CC CA do mercado a aplica o da alimenta o trif sica a motores no mercado e fontes alternativas simplicidade de implementa o emprego de motor de indu o trif sico pelo fato de ele ser simples barato e facilmente encontrado no mercado e pela possibilidade de ampliar os estudos com c lulas a combust vel de hidrog nio para utiliza o em maior escala dessa energia visto que uma energia limpa O inversor utilizado neste trabalho possui um controle escalar com modula o por largura de pulso PWM para comando dos transistores IGBTs com freq ncia de chaveamento de 2 5kHz e 5 kHz 34 Este trabalho ir efetuar um controle de tens o no conversor elevador a fim de se manter a tens o necess ria ao inversor CFW 07 da WEG A tens o de entrada dever ser uma tens o cont nua Sabe se que ao inversor utilizado tradicionalmente aplicada tens o CA 10 49 3 3 Diagrama em Blocos do Inversor WEG CFW 07 Estudando o diagrama de blocos do inversor ilustrado na Fig 3 1 verifica se a presen a de um est gio retificador interno respons vel pela alimenta o do barramento CC poss vel obter o valor da tens o neste barramento com a ajuda de uma fun o 10 do inversor Desta forma pode se incluir um conversor elevador CC CC a fim de se elevar a tens o do banco de baterias de 48 que alimenta o prot tipo em paralelo com a c lula combust vel para 270 V RESISTOR DE FRENACEM EXTERNO OPCIO
132. rutura do Conversor Elevador O conversor elevador apresenta duas etapas de opera o 27 37 e 38 no modo de condu o cont nua MCC Durante a primeira etapa de opera o o interruptor S est conduzindo Atrav s dele passa a mesma corrente do indutor L que aumenta enquanto o 60 interruptor est conduzindo armazenando energia proveniente da fonte Vi O diodo D permanece bloqueado tendo como tens o reversa a tens o de sa da Vo O capacitor Co por sua vez fornece energia ao resistor de carga Ro Essa etapa termina quando o interruptor S aberto A primeira etapa de opera o est representada na Fig 4 2 Fig 4 2 Primeira etapa de opera o do conversor elevador Com a abertura da chave S o conversor entra na segunda etapa de opera o o diodo D entra em condu o Atrav s dele passa a corrente armazenada no indutor L que transfere energia ao capacitor Co e ao resistor de carga Ro Ao interruptor S aplicada a tens o de sa da sendo que este encontra se aberto bloqueando a passagem de corrente Quando o interruptor S fechado entra novamente em condu o retornando primeira etapa A segunda etapa de opera o est representada na Fig 4 3 Fig 4 3 Segunda etapa de opera o do conversor elevador A Fig 4 4 apresenta as principais formas de onda para o conversor elevador operando no modo de condu o cont nua e em regime permanente A tens o de sa da representada por se
133. s o trif sica alternada na sa da cuja fonte ser o quatro baterias de 48 V tendo que transformar esses 48 V em 270 V A Fig 3 2 permite ilustrar o esquema el trico da alimenta o de um inversor trif sico a partir de uma c lula combust vel utilizando um banco de baterias e um conversor elevador com circuito de regula o C lula Combust vel Independence 1000 Fig 3 2 Esquema el trico do sistema de gera o de energia trif sico a partir de c lulas a combust vel 51 3 4 2 Acesso ao barramento CC Inicialmente era desconhecido se a falta de fornecimento de uma tens o CA na entrada poderia gerar problemas de opera o no inversor Tamb m n o se tinha id ia exata do local a ser aplicada a tens o CC no circuito Ao abrir o inversor foi constatado que na placa do circuito retificador existem 4 pinos e que cada um deles est nomeado da seguinte forma CA CA CC e CC Assim foram identificados os bornes de entrada e sa da do retificador como se pode ver na Fig 3 3 Com uma an lise de documenta o do inversor foi descoberta a fun o P004 para a leitura do valor da tens o do barramento CC quando alimentado por 220 V CA bem como efetuada a medi o direta sobre os 4 terminais citados anteriormente Foi poss vel assim verificar o ponto exato de inser o da tens o CC constante A estrutura de pot ncia formada pelos IGBTs do inversor proporciona uma tens o CA trif sica com freqii nci
134. se a raz o entre as imped ncias de sa da e entrada determinadas pelas equa es Eq 5 21 e Eq 5 23 5 C R2 I cecus 0162 Re E Ci C2 Zi Ri S R3C3 1 S Ri C3 R3C3 1 On Eq 5 24 resultando Lo 5 C R2 1 8 Ri C3 R3C3 1 Roco ER Ras je Cs I Eq 5 25 Ci C2 O ganho do amplificador de erro em freq ncia vale d mi CRs Eq 5 2 rece PI a qom Ci C2 113 Este amplificador de erro apresenta a seguinte fung o de transfer ncia com um p lo na origem dois zeros a baixa freqii ncia e dois polos a alta freqii ncia NN Eq 5 27 iwi MU ie P P Neste tipo de amplificador os dois p los e os dois zeros s o coincidentes assim ka qum A w _ Eq 5 28 jw at E P Neste caso para facilitar a s ntese anal tica os p los e zeros se definem como uma raz o da raiz quadrada de K em rela o freqii ncia de corte Assim a Eq 5 28 se define como Eq 5 29 5 wl jw 1 jw i 2 E simplificando 16 ek s ee 27 fo 2 Sey Eq 5 30 JW JW w 1 1 Ix I Adw EMT 5 5 2 Fun o de Transfer ncia do Conversor Elevador em Modo de Condu o Cont nua Para modelar o est gio de pot ncia do conversor elevador operando no modo de condu o continua MCC o modelo do interruptor PWM inserido no est gio de pot ncia
135. ssim a freqii ncia de corte escolhida para dimensionamento do regulador de 300 Hz pois nesta frequ ncia a fase tem valor de 200 e os componentes de confec o do regulador ir o ter um valor menor do que se for escolhida a freqii ncia em que a fase 180 que a freq ncia de 86 Hz A magnitude dessa frequ ncia de 36 dB logo a redu o de magnitude deve ser de 36 dB para que esta frequ ncia tenha magnitude de O dB Para obter uma margem de fase de 60 o avan o de fase necess rio de 170 devendo se usar um compensador tipo 3 A tens o de entrada de 48 V nominais e a de sa da de 270 V com uma largura de pulso de 0 82 A Fig 5 35 mostra a resposta do sistema sem o compensador 138 0 01 0 02 0 04 0 06 0 020 10 D 20 0 40 0 60 0 80 00 2 00 4 00 6 008 00 Frequency KHz Fig 5 35 Resposta do conversor elevador sem compensador Sendo assim o avan o de fase pode ser calculado por meio da Eq 5 123 onde 6 a margem de fase e a fase na freqii ncia escolhida a 90 60 200 90 170 Eq 5 123 Com o avan o de fase encontrado pode se definir o valor do fator K para o compensador do tipo 3 da Fig 5 36 atrav s da Eq 5 66 que nos leva a Eq 5 124 Fig 5 36 Compensador tipo 3 139 o 2 1g 87 5 525 5 124 Sabendo que ganho deve ser de 36 dB freqii n
136. stesasvosdesd eese 23 1 6 1 C lulas a Combustivel anerer ers Eroe Ers enne nooo trennen nennen 23 1 6 2 Hist rico das C lulas a renes 23 1 6 3 A gera cdo de energia RE EI OUR t ER ae tie ERES rec eee 24 1 6 4 Classificacao rero etae perge oe bu e 24 1 6 5 Efici ncia Energ tica conocida oom e UU RR RU CRM T iiio etes 25 1 6 6 Hidrog nio o Combust vel das C lulas a Combust vel 25 1 6 7 Aplicacion ee 25 1 6 8 C lulas a Combust vel Trocadora de Pr tons 26 1 6 9 Curva de carga tipica ose beet eee E nia tec 27 1 7 NA M 28 2 Estudo Do Conversor Fonte Formado Pelo M dulo Comercial De C lulas A Combust vel Independence M 30 2 1 A ene E Koe E EEEO EE VEKE EENI S A ESE EEE E NEE E 30 2 2 O M dulo Independence eessesoessesocssecsosscesoescesoesocsseeocssecooescesoescescesocssecocsscesoescesoesecssesocsseesosse 30 2 3 Dados Nominais do M dulo INDEPENDENCE ccsccsssssssssssscsscssssescsecsscsscssecsssssessesssees 32 2 4 Diagrama em Blocos do M dulo INDEPENDENCE eeseessescescesocssecocsseccoescesoescesoesoceseeocssees 34 2 5 Informa es de Seguran a ccrccsscccscccsssorssercseccssscssassnscsescs
137. stra a Fig 5 45 com intuito de se reduzir essa oscila o tornando o sistema mais est vel Para composi o do circuito em malha fechada ser feito o uso de todos aqueles elementos necess rios para que o sistema seja auto regulado A Tens o de Refer ncia V foi ajustada em 4 V para servir de refer ncia para a tens o V que tamb m de 4V quando a tens o V do conversor elevador vale 270 V conforme a Eq 5 136 Essa compara o elimina o uso de um Comparador O Regulador faz com que sejam ajustados o ganho e a fase do sistema Na sa da do regulador o sinal negativo conforme a Fig 5 48 quadrada com largura de pulso ajust vel automaticamente em outras palavras o sinal PWM O sinal PWM da sa da do modulador enviado a um driver respons vel por ativar o IGBT respons vel pelo chaveamento do circuito fechando a malha e tornando o sistema realimentado X G s H s Fig 5 44 Diagrama de bloco de um sistema realimentado 146 Fig 5 45 Circuito do sistema de alimenta o eletr nico em malha fechada com margem de fase de 60 A resposta em malha fechada deste sistema pode ser vista na Fig 5 46 O efeito de sobresinal foi eliminado e o sistema tornou se mais lento utilizando um compensador com margem de fase de 60 0 00 xS 0 00 0 50 1 00 1 50 2 00 Time s Fig 5 46 Resposta para margem de fase de 60 Admitind
138. tamb m pode ser determinada se o modo de comunica o da unidade LCD ou remota utilizando RS232 ou TCP IP 4 2 6 2 1 Painel de controle frontal O painel frontal possui apenas um bot o de comando um visor LCD e luzes indicativas que s o descritos abaixo Bot o Liga Desliga On Off este bot o permite ao operador Ligar ou Desligar a unidade manualmente atrav s do painel Quando a unidade ligada o bot o ir se iluminar Se o controle remoto estiver ativado e o bot o On Off for apertado ele ir se sobrepor ao controle remoto Para retornar ao controle remoto basta abrir e fechar c s contatos novamente Luzes indicativas do sistema pr ximas ao bot o On Off existem tr s luzes que fornecem uma indica o visual dos modos de opera o Tab 2 2 Luzes indicativas da unidade Cor da Luz Indica o Verde A unidade est operando e preparada A unidade est aquecendo a sa da ainda n o Laranja est dispon vel O hidrog nio est fluindo Vermelho A unidade est sendo desligada Luzes indicativas dos cartuchos localizadas acima de cada cartucho de c lula combust vel s o luzes que indicam o estado de opera o de cada cartucho Tab 2 3 Luzes indicativas dos cartuchos Cor da Luz Indica o Vermelho piscante As c lulas de combust vel est o aquecendo Todas laranjas O aquecimento est completo Verdes individuais Os
139. tant nea e m dia entre os terminais c e p em fun o do tempo Vac 1 D Vap Fig 5 9 Tens es instant neas e m dias entre os terminais a e c em fun o do tempo Definindo como vap vcp vac ia ip ic as tens es e correntes entre os terminais a c e p do interruptor PWM Vap Vcp Vac Ia Ic Ip e as vari veis em mai sculo como tens es e correntes em regime permanente vap v p vdc ia ip ic as tens es e correntes perturbadas vap t vcp t vac t 1a t ip t ic t as correntes e tens es instant neas Levando se em conta que as rea es entre as tens es instant neas sobre os terminais 7 66 499 p vcp t e entre a e vap t do interruptor PWM dos conversores s o as mesmas em modo de condu o continua em todas as topologias da Fig 5 3 se deduz que 103 t v t para Ost lt DT Eq 5 1 v4 070 para DT lt t T Estas rea es se verificam facilmente a partir das formas de onda ilustradas nas Fig 5 4 e Fig 5 5 Estudando as formas de onda de corrente surgem as equa es entre as correntes instant neas no terminal a i t e 1 t que s o Eq 5 2 1 0 1 t para 0 lt t DT 1 0 0 para DT lt t T Nos m dulos promediados o comportamento m dio das tens es e correntes sobre os terminais do interruptor PWM tem fundamental import ncia na determina
140. te conversor elevador 163 22 Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig 6 9 Circuito para obten o da Ze do inversor esee eene enne 164 6 10 Imped ncia de entrada do segundo subsistema carga inversor sese 164 6 11 Tm Zs Ze da segunda conex o do 165 7 1 Laborat rio de Energia e Aplica o de Gases essere nennen enne 168 7 2 Acomoda es dos cilindros de gases esee esee eerte eene trennen nennen trennen 168 7 3 Degraus de tens o da entrada 53 48V e 43V nennen nenne ener enne ne 169 7 4 Degraus de tens o da entrada 43V 48V e 53V nennen nennen enne 169 7 5 Degraus de carga 50 75 e 100 com 43 V na entrada sse eene 170 7 6 Degraus de carga 100 75 e 50 com 43 V na entrada sse 170 7 7 Foto do sistema desenvolvido para processar a energia da c lula a combust vel sse 171 7 5 Tens o de sa da do inversor ao alimentar l mpadas eese eere 172 Lista de Tabelas Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab Tab C MEM C LM STEN EEE 35 2 2 Luzes indicativas da unidades iR ee else be UP T e e alia ec SC ita 41 2 3 Luzes indicativas dos cartuchos ii iie std else o EE Eee Pee ESTER eese Meere e seen ge 41 4 1 Especifica es do conversor elevador esee eene een eene enn
141. to do conversor elevador Destas an lises derivou se um crit rio de projeto para utiliza o deste conversor associado s c lulas combust vel que a sua vez alimentam bancos de baterias Foi empregado e um regulador do tipo 3 Fez se necess ria visto o enorme avan o de fase necess rio para este tipo de conversor em MCC que neste caso possui um zero no semi plano direito Com este tipo de regulador conseguiu se obter facilmente uma margem de fase de 60 mas obteve se melhores resultados com uma margem de fase de 30 em malha fechada Modelos matem ticos din micos foram implementados nos programas PSIM e PSPICE para realizar a simula o do sistema proposto Os resultados de simula o assim como os resultados experimentais mostram que o sistema proposto consegue alimentar o inversor trif sico adequadamente visto que mesmo quando submetido a uma varia o de tens o de entrada do tipo degrau de 10 do valor nominal 48 V ou varia o ao degrau de carga at 25 da nominal o sistema rapidamente faz com que a tens o de sa da do conversor elevador ad qiie as necessidades do inversor mantendo o estabilizado mesmo possuindo um zero no semi plano direito 175 9 Refer ncias Bibliogr ficas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Wendt H Gotz M Linardi M Quimica Nova Vol 25 No 3 470 476 2002 Hirschenhofer J How the Fuell Cell Produces Power IEEE Aer
142. tty P R K Switch Mode Power Supply Design TAB Professional and Reference Books 1986 unites States of America Cuk S Middlebrook R D A General Unified Approach to Modeling Switching DC to DC Converters in Discontinuous Mode IEEE Power Specialists Conference 1980 pp 119 143 Chetty P R K Current Injected Equivalent Circuit Approach to Modeling and Analysis of Current Programmed Switching DC to DC Converters in Discontinuous Mode TEEE Transactions on Industrial Electronics vol IE 29 n 3 August 1982 pp 230 234 Chetty P R K Modeling and design of Switching Regulators IEEE Transactions on Aerospace and Electric Systems vol AES 18 n 3 May 1982 pp 333 344 Gavillon Jorge L Simonetto Henrique M B Development of a PEM Fuel Cell Prototype VI Induscon 2004 Joenvile Canalli V M Cobos J A Oliver J A Uceda J Behavioral Large Signal Averaged Model 177 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 for DC DC Switching Power Converters Power Electronics Specialists Conference 1996 pp 1675 1681 Melis A Zhang L Benemann JR Forestier M Ghirardi ML Seibert M 2006 Hydrogen production using hydrogenase containing oxygenic photosynthetic organisms United States Patent 6 989 252 B2 issued 24 Jan 2006 Pagliosa M A CONTRIBUICAO AO ESTUDO DE UM CONVERSOR CC CC ISOLADO DE 1 5kW APLICADO A C LULA A COMBUSTIVEL
143. u o magn tica e campo magn tico Considerando que quando a corrente no indutor m xima Ipico tem se o m ximo valor de B Bmax Escolhido o n cleo atrav s da Eq 4 22 pode se calcular o n mero de espiras atrav s da Eq 4 23 L I N Lmax 10 TS Eq 4 23 max e 68 O resultado da Eq 4 23 deve ser arredondado para cima a fim de se ter um valor inteiro para o n mero de espiras Com a Eq 4 24 pode se calcular o entreferro NM A L s 10 Eq 4 24 Como o fluxo magn tico se divide o valor calculado na Eq 4 24 deve ser dividido por 2 ou seja deve ser considerado o fluxo magn tico para cada perna lateral do n cleo resultando em Eq 4 25 Eq 4 25 Desprezando a ondula o de corrente a rea de se o do condutor necess ria calculada atrav s da Eq 4 26 Eq 4 26 Caso seja considerado o efeito pelicular no condutor a profundidade de penetra o calculada atrav s da Eq 4 27 onde a resposta est em mil metros 66 JE Eq 4 27 Desta forma o condutor utilizado n o deve possuir um di metro superior ao valor 24 Sendo assim o di metro m ximo do condutor para que seja bem aproveitado dado pela Eq 4 28 di 2 Eq 4 28 69 Geralmente o di metro do condutor superior ao limite fixado pelo efeito pelicular Assim necess rio associar condutores em paralelo a fim de que se possa conduzir a corrente sem superaquecimento dos
144. u valor m dio desprezando a ondula o da mesma para uma melhor compreens o 61 Fig 4 4 Principais formas de onda do conversor elevador em condu o continua 4 3 Equacionamento da Estrutura de Pot ncia do Conversor Elevador A partir de uma frequ ncia de comuta o fs o per odo de comuta o Ts do conversor pode ser definido como apresentado na Eq 4 1 T gt Eq 4 1 No intervalo de tempo tc o interruptor S est fechado conduzindo corrente Este intervalo de tempo correspondente primeira etapa J o intervalo de tempo relativo segunda etapa dado por ta quando o interruptor S est aberto e nele n o passa corrente encontrando se bloqueado Assim pode se definir a raz o c clica pela equa o Eq 4 2 e os intervalos de tempo de cada etapa de opera o do conversor atrav s das equa es Eq 4 3 e Eq 4 4 D Eq 4 2 t DT Eq 4 3 t 1 D T Eq 4 4 62 O ganho est tico do conversor G a raz o entre a tens o de sa da e a tens o de entrada como mostra a Eq 4 5 G Eq 4 5 Pelo balan o de energia poss vel determinar a equa o que descreve o comportamento do ganho em fun o da raz o c clica A pot ncia de entrada Pi deve ser igual pot ncia de sa da Po ou seja a energia armazenada no indutor igual energia transferida carga A pot ncia de entrada Pi pode ser calculada multiplicando se a tens o de entrada Vi a corrent
145. ua o acima usualmente expressa como o ganho est tico da tens o de sa da V em rela o tens o de entrada V e usualmente chamado de voa 1 G V 1 EK Eq 5 35 R 1 Dy Uma an lise CA n o pode ser realizada at que a an lise CC esteja completa pois os par metros V e do interruptor PWM devem ser determinados na an lise CC Para a an lise CA zb as seguintes fun es de transfer ncia podem ser calculadas malha aberta da sa da imped ncia de entrada em malha aberta imped ncia de sa da em malha aberta e controle da sa da em malha aberta O controle da sa da ou controle por ciclo de trabalho a fun o de transfer ncia mais utilizada para an lise da malha de controle Para se determinar a fun o de transfer ncia primeiro devem se usar os resultados da an lise CC para a informa o do ponto de opera o Esta informa o determina o valor do par metro das fontes dependentes Por exemplo 5 36 I V G V L I 2 Eq 5 37 ED RAID RED Estas duas equa es s o depois utilizadas com as equa es de malha para se obter a fun o de transfer ncia da tens o de sa da sobre a raz o c clica do circuito mostrado na Fig 5 26 Ap s isso a tens o de entrada deve ser igual a zero para se obter somente o componente CA da fun o de transfer ncia Sem detalhes a fun o de transfer ncia pode ser expressa por er ta
146. ua coloca o em funcionamento tanto de modo manual quanto remoto A correta opera o permite o aumento da vida til do m dulo e a seguran a dos operadores 47 CAP TULO 3 ESTUDO DO CONVERSOR CARGA FORMADO PELO SISTEMA INVERSOR TRIF SICO COMERCIAL 48 3 ESTUDO DO CONVERSOR CARGA FORMADO PELO SISTEMA INVERSOR TRIF SICO COMERCIAL 3 1 Introdu o Este cap tulo prosseguir com o estudo de inversores feito em 41 onde se verificou o funcionamento do inversor alimentado por corrente cont nua para acionamento de motores Neste cap tulo verificou se a possibilidade de uso em cargas resistivas e desequilibradas para ampliar as op es de uso do sistema eletr nico de alimenta o proposto neste trabalho 3 2 Estudo do Inversor O inversor comercial marca WEG modelo CFW 07 possui originalmente alimenta o alternada com tens o de entrada de 220 V sendo pr prio para utiliza o em redes CA O inversor comercial e suas formas de onda ser o estudadas para adapta o de sua tens o de entrada e alimenta o CC ao inv s de CA O objetivo principal a obten o de uma fonte de energia trif sica a partir de uma fonte de tens o cont nua S o abordados conceitos para implementar o conversor CC CC elevador importante na adapta o para uso de um banco de baterias de menor tens o Dentre as vantagens que podem ser obtidas com esta configura o cita se o baixo custo comparado a outros conve
147. vas os el trons As primeiras part culas passam pela membrana polim rica e encontram os tomos de oxig nio do ar no outro lado o c todo positivo formando gua Os el trons que n o conseguem passar pela membrana circulam na rea fora do eletrodo catalisador mais membrana gerando energia el trica que oxida hidrog nio no nodo p lo negativo e reduz oxig nio no c todo p lo positivo por meio de eletrodos de difus o gasosa Entre as vantagens das c lulas a combust vel destaca se fato de estas praticamente n o gerarem polui o atmosf rica ou sonora de serem compactas e de f cil manuten o de fornecerem energia de qualidade e serem confi veis 1 6 4 Classifica o As c lulas a combust vel s o classificadas de acordo com 8 segundo o tipo de eletr lito utilizado e consequentemente a temperatura de opera o Informa es adicionais sobre as rea es envolvidas al m de mais dados sobre os tipos de c lulas podem ser vistas na forma de tabela em Wendt et al 1 Destacam se dois grupos principais As c lulas de baixa temperatura de opera o I C lulas alcalinas AFC KOH a 80 C II C lulas a membrana polim rica trocadora de pr tons PEM atualmente membrana Nafion a 80 C III C lula a cido fosf rico 103 em massa de a 200 C As c lulas de alta temperatura de opera o I C lula a carbonatos fundidos MCFC Li2CO4 K5CO eut tico a 700 C
148. vel Ao chegarem no catalisador de oxig nio os fons H intercambiantes e o oxig nio se combinam formando H2O gua que a nica exaust o A NASA tem utilizado amplamente c lulas combust veis para fornecer eletricidade e gua para seus astronautas 32 Oxig nio ar MNA ricus Exaust o Camada Membrana Camada gua calor Catalisadora Eletrol tica Catalisadora nodo c todo Fig 2 2 C lula combust vel do tipo PEM 2 3 Dados Nominais do M dulo INDEPENDENCE Especifica es Dimens es Hx L x C 35 x 19 1 x 30 8 89 2cm x 48 5cm x 78 2cm Fig 2 4 Painel traseiro 293 2 Peso 269 lbs 122 kg com os cartuchos 181 Ibs 82 kg sem os cartuchos Temperatura de opera o 0 C a 45 C 1000 Watts 0 C a 40 C 850 Watts a 45 C Capacidade de Gera o de Energia 48 Vcc e 20 A nominais Conex es de sa da CC 1 par de terminais positivos e 1 par de terminais negativos Hidrog nio Cilindro de alimenta o Hidrog nio com no m nimo 99 95 de pureza Consumo aproximado de combust vel Medidos em litros por minuto LPM em condi es normais 7 5 LPM carga de 500W 15 LPM carga 1000W O consumo de combust vel ir depender das condi es do ambiente de opera o Press o de alimenta o para a unidade De 4 psi g a 6 psi g de 28 a 41 KPag 34 2 4 Diagrama em Blocos do M dulo INDEPENDENCE Internamente o m dulo INDEPENDENCE com

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