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Universidade Federal de Minas Gerais

1. 30 FIGURA 2 9 Curva de carga de uma bateria a 31 FIGURA 2 10 Curva caracter stica de carga em tens o constante 33 FIGURA 2 11 Curvas de corrente e tens o para o carregamento de baterias usando POST ACO E DS 35 FIGURA 2 12 Fluxograma de carregamento do banco de baterias 37 FIGURA 3 1 Representa o simplificada de um CONVEFSOM cceeeeeeeeeeeteteteeees 39 FIGURA 3 2 a Conversor Buck cl ssico b Buck com retifica o SCONE ss di E A a e GO Ahan ie 41 FIGURA 3 3 a Conversor Boost cl ssico b Boost com retifica o SING O Elisa 41 FIGURA 3 4 Conversor n o inversor Buck BoOOSt sesta 42 FIGURA 3 5 Conversor Buck Boost a quatro Chaves sese 43 FIGURA 3 6 Topologia do conversor de pot ncia 4 chaves Buck Boost FSBB 44 FIGURA 3 7 Esquematico do conversor c c c c em estudo 47 FIGURA 3 8 Configura o BUCK sss sexes 48 FIGURA 3 9 Configura o BOOSL sss eee 48 FIGURA 3 10 Modo Panel eee eee 49 FIGURA 3 11 Conversor operando no modo BUCK sees eee eee 52 FIGURA 3 12 Conversor operando no modo BOOSL sse sees eee eee 52 FIGURA 3 13 Conversor operando no modo Painel no intervalo de tempo de Os a FIGURA 4 1 Sistema em malha fechada de um conversor operando em modo de TSO VP ER RARE A ONO ERR DEN NPR RR 59 FIGURA 4 2 Carregamento de bateria nos quatro est
2. l Tempo TO T1 T2 T3 FIGURA 2 11 Curvas de corrente e tens o para o carregamento de baterias usando 4 est gios i Carga lenta 1 Est gio TO a T1 Este est gio ativado quando a tens o da bateria est abaixo da tens o de corte Este valor de tens o especificado pelo fabricante da bateria mostra que a bateria encontra se em estado cr tico de descarga Normalmente a m xima corrente de carga neste est gio encontra se no valor de 1 a 10 do valor da corrente nominal da bateria com 10hs de carga dependendo da recomenda o do fabricante da bateria Esta fase evita que algum acidente aconte a no caso de alguma c lula da bateria entrar em curto circuito Por conseguinte se esta realmente acontecer a tens o da bateria n o ir aumentar e em seguida o processo de carregamento da bateria n o passar para a fase seguinte ii Carga completa 2 Est gio T1 a T2 Ap s a bateria atingir o valor m nimo da tens o de corte o sistema de carregamento dever impor uma corrente constante para a bateria at o m ximo valor de tens o especificado O valor da corrente de carga r pida o maior valor que a bateria suporta para uma carga m xima sem muita perda de gua e dever ser obedecida pela manual do fabricante 35 iii Sobrecarga 3 Est gio T2 a T3 Durante este est gio o circuito de controle dever regular a tens o da bateria at que a carga completa for alcan ada com a corrente
3. 78 FIGURA 4 18 Circuito Limitador de Corrente iria 78 FIGURA 4 19 Circuito de prote o contra sobre temperatura nas chaves 79 FIGURA Al Top Copper castas colette oan ane ada ie ntnnt 92 FIGURA A 2 Bottom Copper serena 93 FIGURA 6 25 Vis aliza o 2 aos Stok aa IRL OOT T TET secon iets 94 FIGURA A 4 Visualiza o da parte de cima com os componentes 95 FIGURA A 5 Visualiza o da parte de cima sem os componentes 96 FIGURA A 6 Visualiza o da parte inferior sem os componentes 97 FIGURA B 1 Curva caracter stica do Painel Fotovoltaico 150 da ISOFOTON 98 Lista de tabelas Tabela I Compara o dos m todos de MPPT raras 31 Tabela Il Niveis de tens o da bateria 12V ChUMbO ACICO 0ceeeeeeeeeeteeeeeees 33 Tabela Ill Niveis de corrente de uma bateria aee 34 Tabela IV Ganhos est ticos de alguns conversores cl ssicos ideais 40 Tabela V Modos de opera o do conversor de quatro chaves 64 Tabela VI Configura o da entrada anal gica A2 ines 71 Tabela VII Resultados dos testes realizados no laborat rio 82 Nomenclatura Microgrid Microrrede Smartgrids Redes inteligentes RISC Reduced Instruction Set Complex DSP Digital Signal
4. que o mesmo menos eficiente para varia es r pidas das condi es atmosf ricas Outra desvantagem uma leve perda de pot ncia da perturba o do ciclo de trabalho se o ponto afastar do MPP Esta perda de energia necess ria porque a perturba o necessita determinar se o ciclo de trabalho precisa aumentar ou diminuir para encontrar o MPP A Figura 2 6 apresenta o fluxograma do algoritmo P amp O Se a derivada da pot ncia em rela o a derivada da tens o for maior do que zero o ponto estar localizado a esquerda do MPP enquanto se a derivada da pot ncia em rela o derivada da tens o for menor que zero o ponto estar localizado a direita do MPP r Medir Veit Ipv ti Vref Vpy t 1 Peut Vev ti levit Medir Vpv to Ipy t2 Vrer Vev tz Ppy t2 Vpv t2 Ipy t2 APpy t2 Ppy t2 Ppy ti Nao lt gt Sim Vret ts VG D Vret t3 Veer t2 D FIGURA 2 6 Fluxograma do m todo P amp O 28 O m todo de Condutancia Incremental IncCond foi proposto com o objetivo de solucionar alguns inconvenientes quando comparado com o m todo de Pertuba e Observa Esta t cnica tem como vantagem responder rapidamente as mudangas das condi es ambientais Tem como desvantagem a susceptibilidade a ru dos e sua implementa o mais complexa quando comparado com o m todo P amp O Amostrando a tens o e corrente a condut ncia IV e a condut ncia incremental dl dV s o determinados
5. o em tens o como tamb m o funcionamento alternado do conversor como Buck ou Boost Para operar como conversor Buck exclusivamente faz se D2 1 chave S2 permanentemente fechada e portanto S2 permanentemente aberta Com a raz o c clica D1 imp e se a tens o na carga sempre menor do que a tens o da entrada Para operar como conversor Boost exclusivamente faz se Di 1 S1 permanentemente fechada e S1 permanentemente aberta e com a raz o c clica D2 da chave S2 imp e se a tens o na carga sempre maior do que a tens o da entrada Esta outra escolha que pode levar a opera o do conversor condi o tima em fun o das tens es de entrada e sa das requeridas 45 Segundo 23 um conversor Buck Boost a quatro chaves oferece muitas vezes melhor alternativa para uma topologia baseada em transformador quando a tensao de entrada sera maior ou menor do que a tensao de saida Em outras palavras tal conversor fornece uma tens o de entrada com uma maior varia o poss vel melhor efici ncia dispensando a necessidade de um transformador volumoso Por outro lado o Buck Boost a quatro chaves bem mais eficiente do que um conversor SEPIC Em 24 afirma se que um dos problemas mais comuns dos conversores c c c c conseguir fornecer uma tens o regulada quando se tem uma vasta gama de alimenta es de entrada Quando a tens o de entrada for maior menor ou igual tens o de sa da o conversor desempenhar fun o
6. providenciar o carregamento completo do banco de baterias exige do controlador uma elaborada estrat gia de controle na qual seja poss vel carregar as baterias dentro de seus limites e especifica es o mais r pido poss vel j que o per odo di rio de gera o de energia pelo painel fotovoltaico limitado As baterias utilizadas nos sistemas fotovoltaicos operam de forma c clica descarregando noite e recarregando durante o dia O processo de recarga mais adequado para esses casos o m todo por tens o constante e limita o de corrente Em 19 afirma se que h diversos m todos para carregar baterias por m o algoritmo de quatro estados o que alcan a o melhor desempenho pois utiliza corrente e tens o constantes para recarregar rapidamente as c lulas e recuperar a capacidade completa da bateria A Figura 2 11 mostram as curvas de corrente e tens o para o carregamento de baterias usando 4 est gios 34 Corrente A A one Equaliza o Carga R pida Corrente da bateria Carga normal Carga lenta Tempo Tens o V 4 Tens o m xima Tens o de sa da da bateria Tens o flutuante Tens o de corte Trickle T l t l i 1 Est gio 2 Est gio 3 Est gio 4 Est gio l l l T 1
7. Existem dois m todos cl ssicos e b sicos utilizados para controlar conversores c c c c baseados em Modelos de Pequenos Sinais e Func es de Transfer ncia 30 Um o Modo de Controle em Tens o MCT e o outro o Modo de Controle em Corrente MCC No MCT a entrada do controlador o erro em tens o e a Fun o de Transfer ncia mapeia a raz o c clica ou fun o de trabalho na tens o de sa da No MCC a entrada do controlador o erro em corrente cuja malha interna regula a corrente a partir de sua refer ncia que a sa da da malha de tens o externa Em outra palavras o controle MCC um controle indireto da tens o via controle da corrente O sinal de erro diferen a entre refer ncia e valor medido ser utilizado para ajustar o ciclo de trabalho drU atrav s de um compensador cujo projeto visa garantir a estabilidade a robustez e a performance na din mica da regula o seja da corrente seja da tens o A estabilidade da malha de controle para regular a tens o de sa da de um conversor deve ser buscada a partir das caracteristicas de malha aberta As leis de controle utilizadas s o do tipo PID Proporcional Integral Derivativo as quais s o projetadas para garantir em malha fechada ganho elevado em baixas frequ ncias de modo que o erro em estado estacion rio entre o sinal de sa da e refer ncia seja 56 o mais baixo poss vel e que as perturba es na tens o de entrada e na carga sejam fortement
8. Resultados experimentais DE O prolOUIDO ee ease cece rent a Epa a cette tanta E 81 K2 Galice lel TTT 83 Capitulo 6 Conclus es finais e propostas para continuidade 6 1 Conclus es MINAS Giri rdetosesincrts con Feres rovbveraiePadasasiaberstchenones dna ru efa na 84 6 2 Propostas de Conlihlidade cassa sa GSE DG GS 86 HICTCTCNCIAS sig sis its a e er 87 Ape ndice A arise caraca cre niaa ai urnas Cen nana ia aS 91 Ap ndice Bir ei ise a E net desea Re E a a 98 Lista de figuras FIGURA 1 1 Estrutura de uma MICFOrrede sees 17 FIGURA 1 2 Curvas de carregamento de uma bateria chumbo cido 18 FIGURA 2 1 Interse o da curva IV e as varia es da resist ncia de carga Sob condi es normais 1KW m 25 C 23 FIGURA 2 2 Exemplo de um sistema fotovoltaico 23 FIGURA 2 3 Diagrama em blocos de um conversor c c c c com controlador MPPT e circuito limitador de tens o e corrente de sa da a ser utilizado no projeto 24 FIGURA 2 4 Curvas caracter sticas do painel fotovoltaico a Curva de l V b Curva Ge PEN E E di A Dl A E 25 FIGURA 2 5 M todo da Tens o Constante CV ne 27 FIGURA 2 6 Fluxograma do m todo P amp O rea 28 FIGURA 2 7 Caracter sticas da curva de pot ncia do painel fotovolta co com a localiza o do ponto de funcionamento rrenan 29 FIGURA 2 8 Fluxograma M todo de condut ncia Incremental
9. energy Acessado em 14 07 2018 4 Cavallaro C Musumeci S Santonocito C Pappalardo M Smart photovoltaic UPS system for domestic appliances Clean Electrical Power International Conference on vol no pp 699 704 9 11 June 2009 5 Ogimi K Uchida K Yona A Senjyu T Optimal operation method for DC smart house with smart grid considering forecasted error Power Electronics and ECCE Asia ICPE amp ECCE IEEE 8th International Conference on vol no pp 1126 1131 May 30 2011 June 3 2011 6 R Lasseter Microgrid and Distributed Generation Journal of Energy Engineering American Society of Civil Engineers Sep 2007 7 STRZELECKI Ryszard BENYSEK Grzegorz Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks Springer 8 Lasseter R H Paigi P Microgrid a conceptual solution Power Electronics Specialists Conference PESC 04 IEEE 35th Annual vol 6 no pp 4285 4290 Vol 6 20 25 June 2004 9 Amin N Lam Zi Yi Sopian K Microcontroller based smart charge controller for standalone solar photovoltaic power systems Photovoltaic Specialists Conference PVSC 34th IEEE 7 12 June 2009 10 Chih Chiang Hua Chih Wei Chuang Chun Wei Wu Deng Jie Chuang Design and Implementation of a Digital High Performance Photovoltaic Lighting System ndustrial Electronics and Applications ICIEA 2nd IEEE Conference on vol no pp 2583 2588 23 25 May 2007 87 11 Godoy Simoes M Franc
10. ncia de sa da entregue carga com a pot ncia m xima corrente e tens o na m xima pot ncia do painel fotovoltaico especificado pelo fabricante Quanto menores as perdas de energia observadas melhor a efici ncia do sistema Alguns algoritmos de MPPT t m melhores respostas do que outros sob as mesmas condi es de funcionamento por isso faz se necess rio estudar alguns m todos Existem v rias t cnicas de implementa o do algoritmo MPPT sendo que a escolha do algoritmo de MPPT para rastrear o MPP depende das caracter sticas do projeto Alguns algoritmos de MPPT rastreiam o MPP melhor do que outros nas mesmas condi es de funcionamento e existem t cnicas de MPPT para controlar a pot ncia de um m dulo fotovoltaico utilizando controle direto e indireto 12 Nos m todos indiretos o algoritmo carregado com informa es t cnicas do painel como corrente de curto circuito sc e tens o de circuito aberto Vopen Esse m todo utilizado quando se tem informa es pr vias do painel para um projeto especifico Como controle indireto pode se citar o m todo de Tens o Constante CV e o m todo de Corrente de Curto Circuito lsc Pode se observar que nos m todos de controle indireto o algoritmo estima os valores do MPP atrav s de medi o de tens o ou corrente do painel solar da irradia o e pelo uso de dados emp ricos atrav s de aproxima es num ricas No entanto estes m todos n o s o apropriados quando
11. snubber para prote o de sobre tens es e capacitores de filtro 46 Q5 Q IRF540N IRFS40N ODERM Braco Boost Ventrada Vsaida Q3 IRF540N FIGURA 3 7 Esquem tico do conversor c c c c em estudo Este conversor pode operar em tr s modos de opera o modo Buck modo Boost e By Pass modo Painel a Modo Buck Quando a tens o de sa da for menor que a tens o de entrada O MOSFET Q4 comandado para permanecer acionado enquanto Q3 Q5 e Q6 est o permanentes desligados O MOSFET Q1 controlado com uma rela o c clica D e Q2 controlado com uma rela o c clica de 1 D conforme apresentado na Figura 3 8 47 Bra o Buck Ventrada ie Vsaida Qi IRF540N Es S Db R9 10k L1 che L cs C3 Cl c2 470uF 100nF e 4700uF T 100nF Q2 C12 tnF EM IRF540N R19 R10 SZ D10 10 Q D V c DFLR126 FIGURA 3 8 Configura o Buck b Modo Boost Sempre que a tens o de sa da for maior que a entrada o conversor entra no modo Boost Nesta opera o o MOSFET Q1 est sempre acionado enquanto Q2 Q5 e Q6 permanecem desativados Q3 e Q4 operam com dutycycles de D e 1 D respectivamente conforme apresentado na Figura 3 9 Bra o Boost Ventrada G Vsa da Q3 IRF540N SS aou T 100nF Q4 IRF540N G4 DFLR1 200 FIGURA 3 9 Configura o Boost 48 c Modo Painel Este modo de opera o ocorre sempre que o valor
12. 20 1 3 SI e do TEXTOM T 20 Cap tulo 2 T cnicas Maximum Power Point Tracking MPPT e Sistemas de Controle de Conversores nao isolados c c c c 2 1 T cnicas de controle utilizando 0 algoritimo MPPT e o sistema de controle de carga do banco de Datenag sse essere 22 2 2 Sistema de controle de carga do banco de baternias sss eee 31 e CONCILS O Mtr Re SOR arena Oe ee Ree Ree ee een ar te ee eee ne et 38 Capitulo 3 Estudo da topologia do conversor Buck Boost a quatro chaves 3 1 Uma Breve lt U O stars Son nO SD ia ria east a 39 3 2 Conversor Buck Boost a quatro chaves FSBB 42 3 3 Conversor Buck Boost a quatro chaves FSBB com By Pass 43 3 3 1 Projeto do indutor capacitores de entrada e saida see 49 3 4 Simula o do conversor Buck Boost a quatro chaves com MPPT 51 DESC ONCIUS O att hid findo dee Sa bata Du A e e ad 54 Capitulo 4 Sistema de controle do conversor Buck Boost a 4 chaves discuss es e justificativas 4 1 Controle de carregamento de baterias com MPPT ea 55 4 1 1 Controle em Modo de Tens o do Buck Boost a quatro chaves com e sem Limita o de Corrente cccccceeceesseeceeeeeeeneeeeeeeeeeeeeseaaaeaeeeseeseaaeeeeseseensnsaeeeeees 58 4 1 2 Controle MPPT do Buck Boost a 4 chaves eens 64 4 2 Hardware para o Controle do Buck Boost de quatro chaves 66 4 3 CONCIUS AO isa NO 79 Capitulo 5
13. Figura 2 10 mostra as caracter sticas de carga da bateria do fabricante 17 quando carregadas por um 32 carregador de tensao constante a uma tensao de 2 25 Volts c lula quando a corrente inicial de carga limitada em 0 1xC APOS 100 DE DESCARGA e s APOS 50 DE DESCARGA 0 1C 2 25 V Elemento TEMPERATURA 25 C QUANTIDADE DE CARGA uu 2 lt lt SZ a 2 es E 2 o Sw S co O v 120 100 0 10 LA o Le A C7 TENSAO a o AX a Le N o o FIGURA 2 10 Curva caracteri CORRENTE Ld 10 2 o TEMPO DE CARGA h a0 40 stica de carga em tens o constante 17 A tens o de carga da bateria diminui com o aumento de temperatura e vice versa Da mesma forma a carga a U ma dada tens o requer uma corrente de carga maior quando a temperatura for alta e uma corrente de carga menor quando a temperatura for mais baixa Para ope ra es onde existem varia es de temperatura recomenda se o uso de equipamentos que permitem o ajuste autom tico da tens o de flutua o em fun o da temperatura Sabe se que temperaturas acima de 25 C ir o reduzir a vida til das baterias 17 Para tanto deve se levar em considera o alguns n veis de tens o e seus respectivos estados durante um processo de carga Tabela Il Tabela Il Niveis de tens o da bateria 12V chumbo ci
14. Sensor A3 Current Irradiance S Sensor Sensor 39 Voltage Sensor MI bateria Buck Boost Circuitry Figura 4 6 Esquema de uma interface entre perif ricos externos e um microcontrolador 34 A utiliza o de um microcontrolador torna o sistema mais flexivel visto que a maioria do microcontroladores basicos e comerciais possuem portas dedicadas como PWMs ADC I2C UART SPI USB entre outras que possibilitam a interface com diversos tipos de sensores e transdutores 67 Sunlight Solar Panel MPPT Algorithms Charge Controller Microcontroller Microcontroller MPPT Circuitry Buck Boost Converters Wireless ranscerver Figura 4 7 Diagrama de Blocos de um sistema integrado de MPPT com controlador de carga para baterias utilizando um microcontrolador 34 Outra solu o encontrada consiste em utilizar chips dedicados para efetuar o controle do MPPT e carregamentos de baterias Fabricantes como a STMicroelectronics Linear Texas Instruments etc t m desenvolvido componentes de alta efici ncia dedicados com um bom custo beneficio e de f cil aquisi o 68 Dependendo da pot ncia a ser utilizada esses Componentes incorporam chaves internas a fim de minimizar as perdas de comuta o e quedas de tens o Outras fun es como prote o de sobre corrente sobre tens o sobre temperatura polaridade invertida frequ ncia fixa ou ajust vel partida suave etc s o e
15. Solar Panel MPPT Algorithms 2013 Microchip Technology Inc Disponivel em www microchip com 33 Guo Liping design and implementation of digital controllers for buck and boost converters using linear and nonlinear control methods A Dissertation Submitted to the Graduate Faculty of Auburn University Auburn Alabama August 7 2006 34 Scheurer Amber Ago Ersuel Hidalgo Juan Sebastian Kobosko Steven Photovoltaic MPPT Charge Controller 35 Datasheet SM72445 Programmable Maximum Power Point Tracking Controller With Adjustable PWM Frequency Disponivel em www ti com 36 Datasheet SM72295 Photovoltaic Full Bridge Driver Disponivel em www ti com 37 APPLICATION NOTE 101 POWER SUPPLY LAYOUT Layout considerations for Line Power Supplies Disponivel em www enocean com 38 AIC ANO1 001 Stanley Chen The analysis and layout of a Switching Mode Power Supply March 2001 39 IPC A 610C PO Aceitabilidade de Montagens Eletr nicas 40 IPC 2221B Generic Standard on Printed Board Design 41 AN 1149 Layout Guidelines for Switching Power Supplies 42 AN 139 Power Supply Layout and EMI Linear Technology October 2012 90 Ap ndice A Desenvolvimento do Prototipo Com o objetivo de testar o sistema foi necessario efetuar a placa de circuito impresso PCB visto que muitos dos componentes necess rios para o projeto se encontram apenas em tecnologia SM
16. Vent V Vsa da V 50 Vsa da V 40 S Es aad Vsa da V e Vent ka GAN a da do do dd do Ai bina qa Z Vent V 20 lent A Nee lantia OO OEP L OO LOLOL ALANA ALAA a OPE ent 10 ir e Ts eA mn e aata Isa da A w Isa da A 0 o 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Time s FIGURA 3 12 Conversor operando no modo Boost Na Figura 3 13 ilustrado o conversor operando no modo Painel com carga de 20 durante o intervalo de tempo de Os a 0 6s Quando a m xima corrente de entrada retirada do painel fotovoltaico atrav s do algoritmo MPPT for pr xima da corrente absorvida pela carga o sistema ser for ado a entrar no modo By Pass Ap s esse tempo o conversor passa a operar no modo Buck em virtude da mudan a do ponto de opera o em fun o da irradia o solar que diminui de 1000W m para 800W m 52 lent A _lsaida A Vent V Vsa da V 30 Vent Ve nt V Vsa U d a V AAS ir ame 25 ai f R Vsa da V PPMP PP OL EO OL OE AE COL AI i d a lent A Isa da A A Isaida A 10 om ee ne lent A 0 0 02 04 06 08 1 Time s FIGURA 3 13 Conversor operando no modo Painel no intervalo de tempo de Os a 0 6s A implementa o de uma topologia Buck Boost a quatro chaves traz v rias vantagens sobre o Buck Boost cl ssico de uma nica chave O conversor agora capaz de operar como um verdadeiro conversor s ncrono dependendo apenas da tens o de entrada Com isto o conversor Buck Boost se t
17. consider vel de projeto No entanto fabricantes est o desenvolvendo bons controladores digitais dedicados de baixo custo e f cil acesso a fim de facilitar projetos que envolvam MPPT pain is fotovoltaicos controladores de cargas de baterias etc Alguns chips dedicados apresentam diversas vantagens como comunica o I2C entradas anal gicas e sa das PWMs com frequ ncia de chaveamento relativamente elevada Ainda neste cap tulo foi apresentado o funcionamento do controlador digital dedicado bem como suas fun es e recursos dispon veis 80 CAPITULO 5 Resultados experimentais 5 1 O prototipo Foi desenvolvido um prot tipo apresentado na Figura 2 3 e descrito especificamente nos cap tulos 3 e 4 O prot tipo tem por objetivo verificar o desempenho do conversor baseado no controle do circuito integrado SM72445 visando a sua aplica o em MPPT e desenvolver um carregador de baterias integrado com um sistema fotovoltaico Para a experimenta o utilizou se dois m dulos fotovoltaicos da Isofot n de 50W de pot ncia 10 I 50 ligados em s rie sendo que cada m dulo possui tens o nominal de 12V corrente de curto circuito Isc 3 27A tens o de circuito aberto Voc 21 6V corrente de maxima pot ncia Imax 2 87A tens o de m xima pot ncia Vmax 17 4V al m de tr s condi es de carga A Tabela VII apresenta os resultados experimentais obtidos que foram realizados com cargas resistivas Percebe se que para
18. corrente de refer ncia calculada pelo algoritmo P amp O A Figura 3 11 apresenta o conversor operando no modo Buck A resist ncia de carga utilizada na sa da do conversor foi de 10 a fim de aumentar a corrente consumida e abaixar a tens o de sa da Desta forma tem se a pot ncia na entrada igual a da sa da em situa o ideal Percebe se que no modo Buck a tens o de sa da Vo menor do que a tens o de entrada V visto que devido o valor da carga ser relativamente pequeno deve se manter a mesma pot ncia de entrada o que resultar no aumento da corrente e diminui o da tens o de sa da A corrente de sa da acompanha exatamente a tens o de sa da Vo Quando a irradia o solar diminui de 1000W m para 800W m ocorre o aumento da tens o de sa da a fim de manter a pot ncia m xima na entrada e na sa da 51 lent A Isa da A Vent V Vsa da V 30 Vent Vent V oona 25 ba aai id ia id fa da dd A a RS A RI PA 15 lena ty hre h tte of S as Jsa da A to Nsa da V Annan E e o o 76 SR cr 5 0 o 02 04 06 08 1 Time s FIGURA 3 11 Conversor operando no modo Buck A Figura 3 12 apresenta 0 conversor operado no modo Boost onde a carga utilizada simulada foi de 50 Como o valor de carga foi elevada de 10 para 5Q o valor da corrente de sa da lo dever ser menor e o valor da tens o dever aumentar a fim de manter a m xima pot ncia retirada do painel igual a pot ncia de sa da lent A Isaida A
19. de abaixador ou elevador de tens o de acordo com a rela o entrada e sa da das tens es As quatro chaves trabalhando em sincronismo apresentam um aumento da efici ncia visto que a comuta o dos transistores mais r pida do que a comuta o natural dos diodos Neste sentido em 25 afirma se que a utiliza o de um conversor a quatro chaves Buck Boost permite ter um grau de liberdade a mais na escolha dos dutycycles D1 e D2 comparado a outros conversores cl ssicos o que resultar em um melhor desempenho e efici ncia No entanto o controle dever ser feito com cuidado para evitar curto nos bra os no indutor ou apresentar um funcionamento defeituoso 21 Afirmam os autores ainda que o controle deve ser cuidadosamente adaptado a fim de evitar instabilidades nos dois ciclos de funcionamento O conversor em estudo neste trabalho pode incorporar um circuito para realizar a passagem da tens o de entrada para a sa da diretamente que comumente chamado de modo By Pass O circuito incorpora retificadores s ncronos em Q2 e Q4 os quais aumentam a efici ncia do circuito devido a menores perdas de comuta o em compara o com diodos Schottky por sua recupera o reversa 26 27 Ainda na implementa o do modo By Pass ser necess rio que o conversor utilize estes retificadores s ncronos 27 A Figura 3 7 mostra circuito esquem tico do conversor c c c c Este conversor apresenta seis chaves para opera o circuito
20. do est gio 2 Quando a corrente de carga diminui gradativamente para um valor pr estabelecido corrente normal e a tens o permanece no valor de tens o m xima o processo de carga dever ir para o pr ximo e est gio final O valor da corrente normal cerca de 10 da corrente m xima da bateria iv Carga flutuando 4 Est gio T3 ao final Nesta fase o sistema de controle aplicar bateria uma tens o constante tens o flutuante que especificado pelos fabricantes de baterias a fim de evitar a auto descarga conforme varia o de temperatura Se a tens o da bateria cair abaixo de 90 da tens o de flutua o o sistema executa o 2 Est gio com o objetivo de liberar a m xima corrente de refer ncia O sistema de controle s retornar ao 2 Est gio se o painel fotovolta co for capaz de fornecer energia Se n o for o caso a bateria vai continuar o processo de descarga Se a tens o cair abaixo do valor da tens o de corte o sistema dever reiniciar o processo de carregamento no 1 Est gio logo que o painel fotovoltaico for capaz de fornecer energia A Figura 2 12 apresenta o sistema de carregamento das baterias deste trabalho O sistema de controle dever monitorar o valor da tens o na bateria e executar as tomadas de decis es como apresentado no fluxograma Antes de iniciar os est gios para o carregamento da bateria o circuito de controle verifica o valor da tens o da bateria Baseado neste valor defin
21. gios proposto 62 FIGURA 4 3 Simula o do sistema de carga da bateria cnumbo cido com PErIuBA O s cacisurassre so zandsasasdo sob ds a ada daria as also ab agiu da eee 63 FIGURA 4 4 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle MPPT 64 FIGURA 4 5 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle de um conversor c c c c Buck Boost a quatro CHAVES as 2 eee 65 FIGURA 4 6 Esquema de uma interface entre perif ricos externos e um MICLOCONMDI Sd OL sosizi mai rias renina au spas erana nua e dio ie aE mid cid SS A 67 FIGURA 4 7 Diagrama de Blocos de um sistema integrado de MPPT com controlador de carga para baterias utilizando um microcontrolador 68 FIGURA 4 8 Circuito de aplica o do SM72445 70 FIGURA 4 9 Fluxograma do funcionamento do CI SM72445 71 FIGURA 4 10 Sequ ncia de inicializa o do SM72445 72 FIGURA 4 11 Diagrama de Blocos do CISM72445 nennen 73 FIGURA 4 12 Esquematico da etapa de pot ncia com conversor FSBB 75 FIGURA 4 13 Esquem tico da etapa do gate driver para comandar o conversor FSBB TTT 76 FIGURA 4 14 Esquematico da etapa de controle do conversor FSBB 76 FIGURA 4 15 Configura o fixa das entradas anal gicas 77 FIGURA 4 16 Esquematico para ativar a chave By Pass do conversor FSBB 77 FIGURA 4 17 Circuito para for ar o conversor a entrar no modo PM
22. ncias de p lo e zero do sistema a fim de determinar os ganhos do compensador As vari veis apresentadas na Figura 28 s o Vref s pequeno sinal da A tens o de refer ncia Vo s ILoaD s s o pertubar es da tens o de entrada do painel pela mudan a da irradia o solar temperatura tens o de MPPT e varia o da corrente pela mudan a dos est gios de carga da bateria e varia o da tens o de entrada por efeitos t rmicos do painel fotovolta co respectivamente Gw s a Fun o de Transfer ncia do conversor a amplitude da onda portadora do PWM M dente de serra ou triangular 5V Ge s a Fun o de Transfer ncia do controlador normalmente PI ou PID e H s a Fun o de Transfer ncia do sensor de medi o normalmente um ganho s S Variar Varia o da tens o de Varia o da corrente de entrada do painel pela Trono 8 carga pela mudan a de irradia o solar sua impedancia Amplitude do sinal Compensador da dente de serra Tens o de refer ncia Tens o de sa da Ver S Ganho do sensor FIGURA 4 1 Sistema em malha fechada de um conversor operando em modo de tensao A Fun o de Transfer ncia da malha dada T s Gels Gs 15 O pequeno sinal da tens o de sa da pode ser escrito como Vis _ Gva S Gvo s A T s V ret R S ban HTS H 1 T s 1 T 8 16 59 O projeto do controlador Gc s determinada o comportamento
23. o na entrada e na sa da do conversor tanto pelo Cl SM 72445 quanto pelo gate driver SM72295 75 Le Q Q wo P Ra Ik Gate DRIVER Amostragem da corrente de entrada e us ct 1 na Sn 2 ein Sf aono LAp a AINE HIA pb 5 SS SM 72295 HIB gt Sus LIB gt 19 pcoo0 al BOUT 12 Vout LO 12 sop a 44 sip ow c59 100rF a SM72295 T G I R30 EC l K TOR R23 R24 x 499 499 cg J R18 O oO E me lles eD 4 4 Amostragem da corrente de saida x O 1P E At C Ss L gt Jo FT O O FIGURA 4 13 Esquematico da etapa do gate driver para comandar o conversor FSBB A Figura 4 14 apresenta 0 circuito 0 controlador digital para comandar 0 conversor de pot ncia Este sistema de controle amostra a tensao e corrente de entrada e tensao e corrente de saida Os sinais de comandos para o gatedriver que ira comandar as chaves sao providas dos pinos LIA HIA LIB HIB AVDD a R39 E V 60 4k VDD 0 Ka 1 X 9 i 9 J3 Circuito de Comando Ta e R35 o C3a0 uw 59k IC3 9 nF I I 5 S PM Fa an T amp A 2 NC1 ua 22 l SS 2 4 YSSD HIB 3 SI nc2 te S Es De SM 72445 1202 La P 8 MOUT ar gt AIOUT R33 i R PV wet lt 6 ho CONTROLLER MPPT 30 os AIIN 19 gt AIIN t IES NR a4 J32 VDD 10 eel ie 9 Medid_AVOUT R32 R36 lt Lag aa a I 10k AVN Fag oVout G 12K 124K SM72445 fel BIZxX84C5V1 VDD FIGURA 4 14 Esquem
24. tempo de subida e v rias configura es do modo PM como tempo de dura o ap s a inicializa o Maiores detalhes para a sua configura o verificar 35 O controlador SM72445 possui um pino de RESET que ativado em n vel baixo Ao ativar o modo de RESET todas as sa das das chaves incluindo a sa da PM ser o desativadas Na Figura 4 12 mostrado o esquem tico da etapa de pot ncia com conversor FSBB utilizado neste trabalho Al m das chaves nesta etapa encontram se os circuitos de prote o snubber resistores shunt para medi o de corrente de entrada e sa da do conversor e capacitores de filtro 74 5 Q6 IRF540N MODE PM IRF540N ces c R2 5 R6 5 2 0097 O Fosl 9 R1 R5 ORI ORI A D22 R7 5 o llag g 4 Qu Z o Le FZ C1 19 7 Bl 4m T o o C7 ye pr 4700UF C3 3 E me O p 9 E O 5 R8 c6 hox h 50pF FIGURA 4 12 Esquem tico da etapa de pot ncia com conversor FSBB Para comandar os MOSFET s com uma velocidade r pida necess rio utilizar um gate driver com o intuito de liberar uma tens o Vas gate source de 10V poss vel ainda utilizar um gate driver SM72295 para efetuar as medi es de tens o e corrente de sa da conforme a Figura 4 13 Desta maneira s o adicionadas prote es para o sistema visto que o CI possui alguns pinos dedicados para prote o maiores detalhes em 36 Neste trabalho foram feitas as medi es de corrente e tens
25. 1 2010 17 Manual T cnico s rie 12V NEWMAX Disponivel em www newmax com br baterias br pages baterias 12v asp Acessado em 14 07 2013 18 UNIPOWER Manual t cnico Bateria chumbo acido selada regulada por v lvula dispon vel em www robocore net upload ManualT ecnicoBateriaUnipower paf Acessado em 14 07 2013 19 Trento Arielton Feldens Alexandre Torchelsen AN 08002 Carregador de Baterias Tipo Chumbo cido com PIC16F876A Toroid do Brasil Vers o 1 0 S Jos dos Pinhais PR Jan 2008 20 Xiaoyong Ren Zhao Tang Xinbo Ruan Jian Wei Guichao Hua Four Switch Buck Boost Converter for Telecom DC DC power supply applications Applied 88 Power Electronics Conference and Exposition APEC Twenty Third Annual IEEE vol no pp 1527 1530 24 28 Feb 2008 21 Orellana M Petibon S Estibals B Alonso C Four Switch Buck Boost Converter for Photovoltaic DC DC power applications ECON 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society vol no pp 469 474 7 10 Nov 2010 22 Taufik Taufik Justin Arakaki Dale Dolan Makbul Anwari Comparative Study of 4 Switch Buck Boost Controller and Regular Buck Boost Proceeding of the International Conference on Advanced Science Engineering and Information Technology p 441 446 Malaysia 14 15 January 2011 23 Design Note 499 High Efficiency 4 Switch Buck Boost Controller Provides Accurate Output Current Limit Linear T
26. Boost D 1 D Cuk D 1 D Sepic D 1 D Zeta D 1 D A Figura 3 2 a mostra a topologia do conversor Buck onde Q representa a chave ou interruptor controlado pelo valor de D D um diodo de pot ncia normalmente Sckottky polarizado diretamente no desligamento do interruptor Q L4 o indutor para armazenamento de energia e Coy O capacitor de filtro Ainda o indutor L e o capacitor de sa da Cou formam um filtro passa baixa V a tens o de entrada e Vout a tens o de sa da fornecida a carga resistiva R Na Figura 3 2 b o diodo pode ser substitu do por uma chave controlada na chamada retifica o s ncrona A vantagem de usar um MOSFET no lugar de um diodo que quando em condu o 40 ele tem uma queda de tensao muito menor nos seus terminais dreno source quando comparado com um diodo resultando em uma perda de pot ncia menor e maior efici ncia No entanto o circuito de controle deve utilizar sa das complementares para o PWM com um tempo morto embutido a fim de n o fechar um curto circuito no bra o comandado Vin Vout a b FIGURA 3 2 a Conversor Buck cl ssico b Buck com retifica o s ncrona Na Figura 3 3 a e 3 3 b pode se visualizar a topologia do conversor Boost cl ssico e do Boost s ncrono respectivamente Vin L1 D1 Vout Vin L1 Q2 Vout a b FIGURA 3 3 a Conversor Boost classico b Boost com retifica o s ncrona 41 3 2 Converso
27. C a corrente maxima que a bateria pode fornecer durante determinado tempo Para as baterias de chumbo cido os fabricantes definem o intervalo tempo em que a bateria pode fornecer a corrente nominal como sendo de 20 horas Esta caracter stica n o linear desta forma uma bateria de 60Ah poder fornecer 3A 60Ah 20h continuamente durante 20 horas A capacidade de uma bateria sofre varia o de acordo com alguns fatores externos principalmente com a temperatura sendo diretamente proporcional mesma Para cada 8 5 C acima de 24 C a capacidade aumenta por m a vida til da bateria reduzida metade o C lula um dispositivo eletroqu mico capaz de suprir a energia de uma rea o qu mica interna Para baterias de 12V ha 6 c lulas para 24V h 12 c lulas ou seja a tens o nominal de cada c lula 2V Descarga est ligada diretamente vida til da bateria Quanto menor for a profundidade de descarga mais ela ir durar Por exemplo se sempre for descarregada em apenas 10 a bateria ir durar em torno de 5 vezes mais do que se a descarga fosse feita em 80 de sua capacidade Segundo 17 existem 4 m todos de carga e Carga em tens o constante e Carga em corrente constante e Carga em corrente decrescente e Carga em tens o constante em dois n veis A carga em tens o constante a forma mais adequada e mais comumente utilizada para baterias chumbo cido reguladas por v lvulas A
28. IGURA 3 6 Topologia do conversor de pot ncia a quatro chaves Buck Boost FSBB As equa es de estado da estrutura de pot ncia utilizando o valor m dio definido em 22 s o dadas como Onde Vne Vou s o as tens es m dias de entrada e sa da do conversor IL a corrente m dia no indutor L Di e D2 sao as raz es c clicas de duas das chaves do conversor C o capacitor de sa da R a carga resistiva e Ai a resist ncia parasita do indutor como mostra a Figura 3 6 Note que quando D1 e D2 est o fechadas Di e D2 estar o abertas e vice versa ou seja Di 1 Di e D2 1 D 44 Em regime permanente a rela o entre a tens o de sa da Vou e a tens o de entrada Vn dada por DIR I D2 Vout 3 Vin 8 R 1 D2 RL Considerando o conversor ideal RL 0 a rela o da Eq 8 fica sendo Vout E Vin 9 1 D2 Ainda se impusermos D D gt D temos a sa da Vou em fun o de Vn e da raz o c clica como Vout a Vin 10 1 D que a equa o cl ssica do conversor Buck Boost ideal de uma chave Em outras palavras o conversor Buck Boost a quatro chaves pode operar como um conversor de uma chave por m possui um grau de liberdade a mais para funcionar como conversor abaixador elevador de maneira mais completa Este grau de liberdade das quatro chaves e de duas raz es c clicas propicia a condi o de levar o conversor opera o com m xima efici ncia em toda a faixa de opera
29. Processor PWM Pulse Width Modulation Firmware Conjunto de instru es operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletr nico MPPT Rastreamento do ponto de m xima pot ncia MPP Ponto de m xima pot ncia Roxo Resist ncia de Carga Rot Resist ncia tima Vm Tens o no ponto de m xima pot ncia Im Corrente no ponto de m xima pot ncia lsc corrente de curto circuito Vopen Tens o de circuito aberto CV Tens o Constante P amp O Perturba e Observa IC Condut ncia Incremental D raz o c clica ou dutycycle Vin Tens o de entrada Vout Tens o de sa da IL Corrente no indutor L Indutor Rt Resist ncia do indutor ADC Conversor Anal gico Digital VF Voltage Forward VLSI Very Large scale integration PM Panel Mode Ripple Ondula o CAPITULO 1 Introdu o Geral 1 1 Contextualiza o do Trabalho e Motiva o Com o crescimento da popula o mundial e a busca cada vez mais pelo bem estar e conforto atrav s da utiliza o das novas tecnologias e equipamentos provenientes da energia el trica tem causado o aumento do consumo da energia el trica Com esta preocupa o os governos de muitos pa ses t m dado abertura a instala o e ao consumo de energia el trica produzida por fontes alternativas de energia sendo que a produ o de energia renov vel e n o poluente s o as que se tem maior prefer ncia Surgem ent o q
30. T Surface Mounted Tecnology De acordo com 35 fontes de alimenta o em especial fontes chaveados s o fontes de interfer ncia eletromagn tica conduzida ou irradiada dependendo apenas da faixa de frequ ncia de trabalho Um projeto de PCB confi vel exige cuidado na sua execu o Aplica o de t cnicas adequadas para o desenvolvimento do layout impede falhas inexplic veis no sistema Para a confec o deste projeto foram utilizados guide lines e Application Notes de diversos fabricantes de componentes eletr nicos de pot ncia Diversas recomenda es para placa de circuitos impressos de conversores c c c c e fontes chaveadas foram seguidas Para a montagem da placa foi utilizada como recomenda o a PC 610C As Figuras A 1 a A 6 mostram as imagens do prot tipo desenvolvido 91 Se y FIGURA A 1 Top Copper 92 FIGURA A 3 Visualiza o 3D 94 ga tt iu Controlador digital Gate driver FIGURA A 4 Visualiza o da parte de cima com os componentes 95 ere HUNT HD DE Wi dpi dus tan T DN d O mM aS D s5 kaad 9 L Pe kont ml Ayan AC E Gee d mp DU ao pe See on Sen ee RE Pr ULL C a us DH lt E r n 5 DEE c l L VE FP EM Ea miz GORRE TIA MBMI LE tR S EO FIGURA A 5 Visualiza o da parte de cima sem os componentes 96 Goe o 9 E RAT TA Bae o q o 5 LT T wae see e a bed eee FIGURA A 6 Visualiza o da part
31. Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica CONVERSOR BUCK BOOST A QUATRO CHAVES COM MODO BYPASS EM MPPT APLICADO AO CARREGAMENTO DE BATERIAS A PARTIR DE PA NEIS FOTOVOLTAICOS Disserta o de Mestrado Linha de pesquisa Eletr nica de Pot ncia Jos Osmane Lopes J nior Disserta o submetida ao Curso de P s Gradua o em Engenharia El trica da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito obten o do t tulo de Mestre em Engenharia El trica Orientador Prof Seleme Isaac Seleme Jr PhD Co orientador Prof Pedro Francisco Donoso Garcia Dr Belo Horizonte Julho 2013 Dedicatoria Dedico este trabalho as pessoas que dizem eu posso quando todos dizem o contr rio A estas pessoas que enfrentam jornada dupla e muitas vezes tripla para alcan ar os seus objetivos Que sonham mas n o se contentam somente com o sonho e almejam o concreto Que n o herdam fortuna dos seus pais mas algo que dinheiro n o compra dignidade honestidade e garra para conquistar os seus sonhos A todas estas pessoas dedico esta disserta o na certeza de que elas tamb m chegar o at aqui e poder o ir al m Basta sonhar querer e fazer Agradecimentos Agradecimento Especial Ao Prof Dr Seleme Isaac Seleme Jr orientador desta disserta o por toda colabora o aux lio e confian a Por toda for a nos mo
32. a o fluxo de pot ncia de uma fonte de alimenta o V1 para uma carga na sa da com tens o controlada V2 Existem dois modos de opera o destes conversores cont nuo e 55 descontinuo A corrente que flui atrav s do indutor nunca vai para zero no modo continuo Ja no modo descontinuo a corrente no indutor atinge o valor zero durante o intervalo de tempo em que a chave desligada ou seja antes do final do ciclo de chaveamento permanecendo zero at o in cio de um novo ciclo No chaveamento de conversores c c c c ideais a tens o de sa da uma fun o exclusiva da tens o de entrada e da raz o c clica D Nos circuitos reais com componentes n o ideais a sa da tamb m uma fun o da corrente na carga e consequentemente das correntes do indutor das chaves etc por causa das resist ncias parasitas dos componentes quedas de tens o nas chaves entre outros fen menos A sa da de uma fonte de alimenta o conversor c c c c regulada pela modula o da raz o c clica ou taxa de trabalho para compensar as varia es na tens o de alimenta o ou da carga Para a imposi o de uma tens o de sa da no conversor c c c c com rejei o destas perturba es um sistema de controle com realimenta o necess rio Compara se a tens o na sa da com uma refer ncia e este erro a entrada do controlador cuja lei de controle imp em atrav s de um modulador de largura de pulso PWM a taxa de trabalho 29
33. anizada da seguinte forma O Cap tulo 1 apresenta a contextualiza o a qual est inserido o trabalho motiva o e a revis o bibliogr fica para este Ainda apresenta os conceitos dos sistemas fotovoltaicos microgrids introdu o ao sistema de controle por microcontroladores e circuito Integrado dedicado O Cap tulo 2 apresenta a t cnica de controle utilizando o algoritimo MPPT e o sistema de controle de carga do banco de baterias No Cap tulo 3 ser apresentada 20 a escolha da topologia do conversor utilizado no trabalho e simula es do sistema e sua justificativa O sistema de controle sua escolha e suas justificativas s o apresentadas no Cap tulo 4 No Cap tulo 5 ser o apresentados os resultados experimentais do prot tipo desenvolvido Finalmente o Cap tulo 6 apresenta as conclus es finais e propostas de continuidade do trabalho 21 CAPITULO 2 T cnicas Maximum Power Point Tracking MPPT e Sistemas de Controle de conversores nao isolados C c c c 2 1 T cnicas de controle utilizando o algoritimo MPPT e o sistema de controle de carga do banco de baterias Devido baixa efici ncia energ tica dos pain is fotovoltaicos e o custo do sistema torna se se necess rio efetuar um melhor aproveitamento da energia retirada do painel utilizando um algoritmo de rastreamento do melhor ponto da curva caracter stica do painel Todavia alguns fatores influenciam o ponto de transfer ncia de m xima pot ncia como
34. ar motriz entre outras que recentemente t m recebido muita aten o pelo fato de serem energias mais limpas e renov veis No entanto os autores em 1 entendem que as fontes de energia renov veis como a solar e e lica t m suas limita es Primeiramente a distribui o inadequada e a gera o dessa energia aleat ria ou seja n o constante todo o tempo pois depende de vari veis da natureza por exemplo o vento para sistema e lico e a luminosidade solar para sistema fotovoltaico Este trabalho considera ainda que as smartgrids providas de sensores comunicando em redes comunica o e monitoramento de sistemas inteligentes fornecem uma t cnica poderosa para controle do fornecimento e fluxo de energia Com o aumento da tecnologia solar os pain is fotovoltaicos s o cada vez mais utilizados para fornecimento de energia para resid ncias como afirmado em 4 Entretanto em 2 pondera que no que se refere ao projeto de uma microrrede residencial necess rio ter pelo menos duas fontes de energia Estas seriam por exemplo sistemas fotovoltaicos com bancos de baterias e energia el trica proveniente da concession ria de energia el trica sendo que ambas devem estar aptas para alimentar cargas em corrente alternada e ou em corrente cont nua Segundo 5 sistemas fotovoltaicos s o rapidamente introduzidos em sistemas de energia el trica como fonte de energia solar inesgot vel e limpa Muitos dos gerad
35. arga de uma bateria chumbo acido Nota se que quando a tens o da bateria se encontrar em um valor baixo por exemplo 10 5 volts o sistema de controle dever liberar a corrente de carga limitada a um determinado valor para que a bateria retorne com sua carga quando a tens o for por exemplo 13 5 volts Esse valor ser especificado de acordo com a capacidade Amper hora CAh da bateria O gr fico ainda mostra que medida que a tens o na bateria diminui o sistema libera corrente m nima at a m xima especificada dependendo apenas dos n veis de tens o na bateria Tens o Tens o de equaliza o 14 5 Tens o flutuante 10 5 Corrente 30 a 40 Corrente m xima para da CAh carregamento completo Corrente de ref ncia Tens o da bateria als para carregamento Corrente da bateria a Tempo FIGURA 1 2 Curvas de carregamento de uma bateria chumbo acido Segundo 11 o sistema poder ser controlado com um microcontrolador com instru es do tipo RISC com custo relativamente baixo a fim de rastrear o ponto de 18 maxima pot ncia atrav s de um algoritmo de controle para comandar um conversor c c c c Se a energia coletada do sistema fotovoltaico nao for suficiente o microcontrolador nao permite 0 esgotamento completo do sistema de baterias Outra possibilidade para o sistema de controle consiste em escolher circuitos integrados dedicados para o sistema de controle Desta forma deve se ava
36. as de forma suave O controlador digital ainda integra a fun o de limita o de corrente capacidade de lidar com curto circuito e condi es sem carga e ir recuperar seu funcionamento suavemente em ambas as situa es Alguns artigos e trabalhos como 27 utilizam o modo painel By Pass acionando duas chaves da ponte H Considerando o circuito da Figura 3 6 para ligar no modo painel deve se ativar as chaves S1 e S2 simultaneamente Percebe se que ao acionar estas chaves a resist ncia do indutor ficar entre a tens o de alimenta o e a tens o de sa da Outros trabalhos utilizam chaves By Pass para conectar a tens o de entrada a tens o de sa da visto que dependendo do MOSFET utilizado sua resist ncia entre o dreno source se encontra em poucos mOhms o que dependendo do valor da corrente consumida sua queda de tens o Vos poder ser desprezada No entanto o controlador SM72445 n o necessita de chaves dedicadas para a implementa o do modo painel As quatro chaves poder o ser controladas para a ativa o deste modo Uma chave By Pass poder ser usada para aumentar a efici ncia do conversor A configura o deste modo de opera o do painel ser configurada na entrada anal gica A2 Ainda a entrada A2 permite configurar o valor da frequ ncia do PWM que ir comandar as chaves Buck Boost Este canal anal gico poder ser configurado por divisores de tens o com resistores de 70 precis o A Tabela VI mostra
37. aso interessante trocar se os diodos por chaves No entanto no conversor Buck Boost de quatro chaves o circuito de controle dever comandar as chaves sincronizadas 3 3 Conversor Buck Boost a quatro chaves FSBB com By Pass O conversor de pot ncia quatro chaves Buck Boost FSBB um conversor de pot ncia diferente dos outros porque tem dois ciclos de funcionamento a serem controlados Isto significa que para um mesmo ponto de trabalho valores diferentes para ambos os ciclos de trabalho podem ser utilizados Al m disso devido sua estrutura Buck Boost simples apresenta alto desempenho e alta capacidade de adapta o ao sistema de varia es de tens o Todas essas vantagens fazem o conversor de pot ncia FSBB adequado para aplica es em que a carga pode ser vari vel e onde necess ria alta efici ncia como um sistema fotovoltaico ou outras 43 fontes de alimenta o 21 Segundo 22 h varias caracter sticas indesej veis que v m com a topologia b sica de um conversor Buck Boost Alguns dos problemas incluem a efici ncia m dia invers o da polaridade da tens o de sa da em rela o tens o de entrada caracter stica ruim de corrente de entrada e corrente de sa da A topologia deste conversor apresentada na Figura 3 6 Este conversor possui quatro chaves que comutam de duas em duas Ambas as chaves complementares s o independentes e apresentam dois ciclos de trabalhos diferentes D1 e D2 F
38. aterias respeitando o seu ciclo de carga indicado pelo fabricante e garantindo condi es de carga m nima para prolongar a vida til das mesmas Para tanto ser feito uma revis o dos sistemas fotovoltaicos e t cnicas de rastreamento de ponto m ximo de pot ncia no contexto de microrredes isoladas A quest o da efici ncia e de dispor se de ampla varia o da faixa de tens o leva nos a estudar e considerar a topologia do conversor Buck Boost a quatro chaves Visando a aplica o atrav s de um prot tipo comercialmente vi vel feito o estudo de sistemas microcontrolados e circuitos integrados dedicados para tipo de problema As simula es do sistema projetado s o realizadas como valida o e como ferramenta de an lise Finalmente feita a implementa o do sistema eletr nico para valida o dos resultados e do estudo feito Palavras chaves Conversor Buck Boost a quarto chaves ou By Pass Microgrid MPPT Maximum Power Point Tracking Painel Fotovoltaico Abstract This work deals with the study and development of a lead acid battery charger based on a Buck Boost converter with four switches and a by Pass circuit The photovoltaic power generation system is connected to a microgrid There are two main aspects of this dissertation First the photovoltaic systems with maximum efficiency of the converter using the maximum power available from solar radiation Second ensure fast charging of the batteries respecting their cha
39. atico da etapa de controle do conversor FSBB 76 A Figura 4 15 mostra uma maneira padr o de configurar o modo de opera o do controlador digital atrav s de circuitos R C s FIGURA 4 15 Configura o fixa das entradas anal gicas E para comandar as chaves By Pass ser utilizado um gate driver SM72482 Como o acionamento destas chaves n o possuem refer ncia para o terra deve se utilizar esta configura o com um indutor de isolamento 1 1 conforme figura 4 16 FIGURA 4 16 Esquematico para ativar a chave By Pass do conversor FSBB Foi montado externamente um circuito com amplificadores operacionais que for a o conversor a entrar no modo painel conforme Figura 4 17 Desta maneira o painel ficar ligado diretamente na carga ou seja protegendo o conversor para um determinado limite de corrente 77 Medi o da corrente de sa da PM r y f iout Ativado em nivel baixo FIGURA 4 17 Circuito para for ar o conversor a entrar no modo PM Foi implementado um circuito de prote o do conversor para um determinado valor de corrente a fim de desligar 0 conversor como mostra a Figura 4 18 FIGURA 4 18 Circuito Limitador de Corrente Para proteger as chaves por aquecimento foi proposto o circuito da Figura 4 19 Os sensores de temperatura LM 35 deverao ficar apoiados no dissipador de calor Quando a temperatura no dissipador for maior do que 60 C o conversor sera desligado pelo pino de RESET
40. corrente fixa de refer ncia de entrada correspondente ao MPP do painel solar permitindo simultaneamente combinar a sa da com a tens o da carga Conversor C C c c ed sia e ee ee eee eg odds T vm Vout G1 G2 G3 G4 M gt 9 trotador MPPT L Gate Driver FIGURA 2 3 Diagrama em blocos de um conversor c c c c com controlador MPPT e circuito limitador de tens o e corrente de sa da a ser utilizado no projeto 24 Os pain is fotovoltaicos apresentam caracteristica de tensao versus corrente nao linear que variam tamb m com a temperatura e o nivel de radia o Considerando a pot ncia nominal do m dulo fotovoltaico mudando a radia o incidente no painel o ponto de m xima pot ncia MPP se altera visto que a corrente de curto circuito sc e a tens o de circuito aberto Vopen ser o alteradas ver modelo do painel no Ap ndice B Nas Figuras 2 4 a e 2 4 b s o mostradas as caracter sticas V I e P V de pain is fotovoltaicos utilizado neste trabalho L L H L 0 5 10 15 Vmax 22 Voc 2 o 5 10 15 VM VM vma 20 25 FIGURA 2 4 Curvas caracter sticas do painel fotovoltaico a Curva de l V b Curva de P V 14 Pode se observar ainda a caracter stica el trica do m dulo fotovoltaico para pot ncia versus tens o Veja que o rastreamento do MPP ponto de m xima pot ncia faz com que o painel opere aproximadamente como fonte de corrente quando a resist ncia da car
41. da corrente de MPPT for pr ximo da corrente consumida pela carga Durante este modo o conversor est naturalmente operando no seu ponto de m xima pot ncia n o sendo necess rio controle adicional Este modo possui a vantagem de praticamente n o apresentar perdas Na Figura 3 10 os MOSFET s Q5 e Q6 permanecem em estado acionado enquanto o conversor c c c c desligado Essa topologia de conversor apresenta como vantagens o melhor aproveitamento da faixa de excurs o das topologias Buck e Boost possibilitando ao conversor maior faixa de excurs o para os pontos de opera o assim como o modo Painel possibilita elevado rendimento ao circuito de MPPT Qs Q6 IRF540N IRF540N Ventrada Vsa da FIGURA 3 10 Modo Painel 3 3 1 C lculo do indutor capacitores de entrada e sa da Projeto de Ly Cin Cout No modo Buck o indutor L forma um filtro de saida LC com o capacitor de saida Cout NO modo Boost L forma um filtro de entrada com Cin Devido ao fato dos capacitores e do indutor afetarem o desempenho do filtro as sele es dos valores 49 de Li Cin e Cout est o correlacionadas Considerando a ondula o da corrente no indutor dado por 11 Vout 1 Dbuck Li Fw b p 11 Vmpp Dbosst Modo Boost Li Fsw Modo Buck E a corrente m dia no indutor pode ser calculada por 12 Vout 1 Dbuck o lo Modo Buck 2L1 Fsw lat 1 2 Tin Vinpp E Modo _ Bo
42. de consumo diminuindo tamb m a demanda de energia em hor rios em que a curva de carga alta reduzir consumo de ponta al m de manter um sistema de transmiss o e distribui o mais est vel e confi vel Enfim com o crescimento do consumo de energia el trica no Brasil e no mundo as microrredes v m surgindo como uma solu o de determinados problemas atuais e futuros e se tornam uma ferramenta til no controle e no uso racional da energia tornando poss vel o mundo mais sustent vel e pr spero para as gera es futuras 19 1 2 Objetivos da disserta o 1 2 1 Objetivos Gerais Esta disserta o tem como objetivo principal o estudo simula o e a implementa o de um conversor Buck Boost a quatro chaves com sistema de controle utilizando a t cnica MPPT para os m dulos fotovoltaicos e controle para o carregamento de um banco de bateria de chumbo cido 1 2 2 Objetivos Espec ficos e Estudo dos sistemas fotovoltaicos e t cnicas de rastreamento de ponto m ximo de pot ncia MPPT e Estudo de microrredes isoladas e Estudo da topologia do conversor Buck Boost de quatro chaves e Estudo de sistemas microcontrolados e circuitos integrados dedicados para sistema de controle do conversor operando em MPPT e controle de carga do banco de baterias e Simula o do sistema projetado e Implementa o do sistema eletr nico para valida o dos resultados 1 3 Estrutura do Texto Est disserta o est org
43. de modo que a decis o do MPPT pode ser feita para aumentar ou diminuir a tens o de funcionamento de acordo com o ponto a esquerda ou a direita do MPP conforme a Figura 2 7 dP dV 0 dP dV gt 0 dP dV lt 0 vo v FIGURA 2 7 Caracter sticas da curva de pot ncia do painel fotovolta co com a localiza o do ponto de funcionamento O metodo de condut ncia incremental baseia se na inclina o da curva conforme gt gt 0 esquerda do MPP para V lt VMPP gt 0 para MPP V VMPP gt lt 0 direita do MPP para V gt VMPP Desta forma podemos obter aP dVD VA yi pay 1 dv dV av JV dV 29 O MPP sera encontrado quando dP osiv os 1 H 2 dV dV V dv Onde I V representa a condut ncia instantanea do painel solar e dl dV representa a condut ncia incremental instant nea A Figura 2 8 apresenta o fluxograma do algoritmo do m todo de Condut ncia Incremental Entradas Vit Mt Al I t I t At AV V t V t At FIGURA 2 8 Fluxograma M todo de condut ncia Incremental 13 A t cnica de MPPT empregada neste trabalho a Perturba e Observa P amp O Segundo 13 o m todo P amp O opera incrementando ou decrementando a tens o de sa da do painel fotovoltaico com a finalidade de comparar a pot ncia atual com a anterior 30 A Tabela compara qualitativamente os m todos mais conhecidos de MPPT segundo os parametros depend ncia con
44. de sa da e o dispositivo n o ir atuar na presen a de uma tens o Avout superior configurada pela entrada AO Ent o pode se concluir que a configura o do pino AO para um valor m ximo de sa da nao garante um limite de tens o na sa da do conversor quando o mesmo estiver operando no modo painel PM Portanto o limite m ximo da tens o de sa da definido pela programa o AO s v lida se o valor for maior do que a tens o m xima de entrada painel solar em circuito aberto Se a prote o de sobre tens o precisar ser implementada deve ser feito usando componentes externos Por exemplo um comparador de tens o com a sua sa da ligada ao pino de reset do SM72445 uma poss vel solu o Ja A maxima tens o de sa da durante a opera o de MPPT do controlador pode ser calculado por Rg RFBI RFB2 ATI RBI RFB2 Vour MAX 5x 17 Onde RT1 e RB1 s o resistores divisores de tens o no pino ADC AO e RFB1 e RFB2 s o os resistores divisores da tens o de sa da Um valor t pico para RFB2 de cerca de 2 kQ O controlador digital possui ainda a fun o de limita o do valor da corrente de sa da Este valor configurado na entrada A4 do bloco ADC por exemplo com resistores divisores de tens o O valor de sobre corrente detectado quando a tens o medida no pino AIOUT igual o valor da tens o configurado no pino A4 O valor tens o da entrada colocado no pino A6 respons vel por configurar o
45. din micas de alta frequ ncia como por exemplo ru dos de medi o Ainda na rela o entre perturba es e sa da busca se o contr rio atenua o na faixa de frequ ncia das perturba es baixas frequ ncias O compensador atrasador PI usado para incrementar os ganhos em baixas frequ ncias de tal modo a obter erro nulo em regime estacion rio Deve se ter cuidado para que o efeito de atraso de fase seja bastante atenuado na frequ ncia de crossover para n o comprometer a Margem de Fase do Sistema A parte do compensador de ganho G s em alta frequ ncia normalmente um PD escolhida para obter a frequ ncia de cruzamento e consequentemente a Faixa de Passagem desejada A faixa de passagem e margem de fase devem ser compat veis com as caracter sticas do conversor e da alimenta o Em resumo compensadores de avan o e atraso de fase PID s o combinados para se ampliar a faixa de passagem e garantir erro em regime permanente igual zero Em baixas frequ ncias o 60 controlador integra o sinal de erro levando o sistema a um grande ganho de malha em baixas frequ ncias e um erro em estado estacionario da tensao de saida tendendo a zero Nas altas frequ ncias em torno da frequ ncia de crossover o compensador introduz avan o de fase em malha fechada elevando o valor da margem de fase do sistema Para o carregamento de uma bateria s o dois os modos de opera o do controlador O primeiro de regula o de te
46. do Estados Tens o da bateria Final de descarga Abaixo de 10 5V Flutua o Normal Entre 12 9V e 13 8V Equaliza o Recarga Entre 14 6V e 14 4V Sobretens o Acima de 16 2V Valores para temperatura de 25 C 33 No estado de flutua o a bateria j esta completamente carregada e sua fun o apenas compensar o processo de auto descarga da bateria Entretanto o estado mais cr tico pois uma sobretens o ir diminuir a sua vida til e pode at danifica l Por outro lado uma tens o de flutua o muito baixa ir reduzir sua capacidade Para os valores de tens o de flutua o e de equaliza o a compensa o de temperatura de 0 33V para cada 10 C acima de 25 C e de 0 33V para cada 10 C abaixo de 25 C 19 Para nao comprometer a vida util da bateria a corrente de carga tamb m dever ser respeitada A Tabela Ill apresenta os valores das correntes de carga da bateria considerando o valor da Capacidade Amper hora CAh da bateria Tabela Ill Niveis de corrente de uma bateria Estados Valor Recarga lenta 10 de CAh Flutua o Normal 1 da CAh Valores para temperatura de 25 C De acordo com 19 a corrente de recarga destinada a retornar aproximadamente 90 da capacidade da bateria enquanto a corrente de flutua o destinada a compensar a rea o de auto descarga e as perdas de pot ncia por fuga de corrente entre os p los Segundo 14
47. do SM72445 78 O BC558 einyesadwa Jqos FIGURA 4 19 Circuito de prote o contra sobre temperatura nas chaves 4 3 Conclus o O presente cap tulo explanou brevemente o sistema de carregamento de baterias utilizando tanto o controle em tens o com e sem limita o de corrente quanto a t cnica de MPPT Foram apresentados ainda alguns conceitos b sicos de controle de sistemas crit rios de estabilidade an lises da margem de fase e ganho e modo de opera o em condu o cont nua e descont nua de conversores c c c c de pot ncia Foram citados os dois m todos de controle para o conversor utilizado Modo de Controle em Tens o MCT e MPPT O primeiro pode incorporar um limitador de corrente Os est gios de carregamento de baterias foram relembrados e simula es de carregamento da bateria foram demonstradas Foi igualmente apresentado um esquema para o MPPT de um conversor de Buck Boost a quatro chaves 79 No hardware para controle de MPPT e carregamento de baterias foram discutidas as vantagens e desvantagens dos sistemas utilizando microcontroladores DSP s e controladores digitais dedicados Conclui se que os sistemas baseados em microcontroladores e DSP s s o mais flex veis haja h vista que apresentam diversas fun es embutidas no seu hardware e que precisam ser configuradas e acessadas por software Mas dependendo da ferramenta utilizada em especial os DSP s o sistema poder agregar um valor
48. do o tempo Foram apresentados conversores Buck Boost com duas chaves controladas por m neste trabalho foi proposto o conversor Buck Boost de quatro chaves controladas com a possibilidade de utiliza o de chaves By Pass Este conversor c c c c tem sido estudado para aplica es nas quais a faixa de tens o de entrada sofre grandes altera es Outra vantagem deste conversor em rela o aos conversores c c c c cl ssicos o rendimento haja a vista que um conversor elevador ou abaixador de tens o dependendo do acionamento das chaves referentes ao modo Buck e ao modo Boost Outra vantagem para melhorar a efici ncia deste conversor adicionar chaves de By Pass para interligar a entrada com sa da Este acionamento ser 84 realizado quando a tens o de entrada for igual ou pr ximo tens o de sa da Desta maneira 0 conversor de quatro chaves ser desligado o que diminuir as perdas por chaveamento e comuta o Ainda foi apresentado o equacionamento do modelo em espa o de estado para mostrar a rela o da sa da com a entrada e os dutycycles a serem colocados nas chaves Para controlar o funcionamento do conversor de quatro chaves e obter o m ximo rastreamento de pot ncia foram discutidos os m todos utilizando microcontroladores DSP s e controladores dedicados de MPPT A proposta deste trabalho fazer o MPPT utilizando um controlador digital espec fico para esta fun o Diversos fabricantes t m apresentado s
49. do sistema em malha fechada visando dar estabilidade robustez e desempenho din mico ao sistema Em outras palavras de acordo com 30 o sistema de controle dever atender s especifica es do projeto atenuando os efeitos das perturba es oferecendo boa resposta transit ria e sendo assintoticamente est vel ou seja a sa da converge para o valor de refer ncia Dist rbios como entrada e sa da de carga varia o de tens o de alimenta o ru dos de medi o etc s o caracter sticas que conversores c c c c est o suscept veis a todo momento O sistema de controle Gc s a ser projetado dever alocar os p los do sistema em malha fechada nas frequ ncias desejadas de forma que leve a din mica desejada do sistema em malha fechada sem excitar eventuais zeros da planta que se encontrem no semi plano direito do plano complexo O tempo de resposta e m ximo overshoot sobrepassagem s o crit rios que definem a Margem de Fase e a Faixa de Passagem do sistema em malha fechada Isto deve ser obtido respeitando os limites do conversor e da fonte de alimenta o O sistema em malha fechada na rela o entre o valor de refer ncia e sa da em ess ncia um filtro passa baixa com ganho est tico unit rio ou seja a fun o de transfer ncia da malha deve apresentar ganhos elevados em baixas frequ ncias e ganhos atenuados para altas frequ ncias Com isto obt m se estabilidade assint tica e ao mesmo tempo rejei o das
50. e atenuadas o ganho na frequ ncia de chaveamento do conversor deve ser baixo de modo a atenuar ru dos e sinais de alta frequ ncia finalmente margens de fase entre 30 a 90 sendo que 60 um bom compromisso Em carregamento de baterias o sistema de controle tem como objetivo manter a vari vel corrente da bateria e consequentemente a corrente do conversor controlada seguindo refer ncias t picas da bateria conforme descritas no Cap tulo 2 2 em especial pela Figura 2 11 e os est gios de carregamento apresentados para baterias de chumbo cido O conversor receber uma tens o de alimenta o n o regulada e com pertuba es pois a alimenta o ser um painel fotovoltaico que depender da irradia o solar e da temperatura fun o do sistema de controle e do conversor c c c c controlar corrente e tens o de sa da segundo valores de refer ncia que s o fun o do est gio de carregamento da bateria face a perturba es Para o est gio de carga r pida quando a bateria j tiver atingido um valor de tens o de corte a fonte ou seja o painel fotovoltaico ter que fornecer a m xima pot ncia dispon vel Neste est gio descrito no Cap tulo 2 2 como Est gio de Carga Completa o m dulo fotovoltaico operar com um algor tmo de MPPT Sendo assim os quatro est gios de carga da bateria de chumbo acido ser o controlados da seguinte maneira e 1 Est gio Carga lenta para quando a tens o na bateria esti
51. e inferior sem os componentes 97 Ap ndice B 55 50 45 40 z 35 2 se e Rela o V L E Pmax o 25 2 O Potencia g a Caracteristicas el tricas 20 Isc 3 27A t Voc 21 6V 15 Imp 287A t Vmp 17 4V Pmax 50 W 10 10 i a 1000 Wim 25 C y AM 1 5 G TONC 47 C 5 800 Wim 20 C ambiente AM 1 5 G y velocidad del viento de 1m s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Tens o V FIGURA B 1 Curva caracter stica do Painel Fotovoltaico 150 da ISOFOTON 98
52. e opera o por motivo de varia o da irradia o solar A carga utilizada foi um banco de resistores de pot ncia e as grandezas foram medidas com volt metros e amper metros digitais na entrada e sa da do conversor A pot ncia de entrada sa da e efici ncia do conversor foram calculadas de acordo com os valores de tens o e corrente amostradas no sistema Tabela VII Resultados dos testes realizados no laborat rio Carga lent Vent Isada Vo Pent Psaida n Modo 7 0 A V A V W W 17 2 09 29 18 31 6 61 5 569 92 5 Boost 11 240 265 224 26 5 636 594 933 Painel 9 22 29 255 23 45 644 598 929 Buk 82 5 2 Conclusoes A realizagao de testes do conversor Buck Boost mostrou o funcionamento deste conversor operando nos tr s modos propostos mediante a condi o de rastreamento do MPP e condi es de carga O teste realizado neste primeiro momento considerou apenas a condi o de rastreamento do MPP dos pain is utilizados Como a mudan a de irradia o solar muito r pida tentou se preservar ao m ximo os dados obtidos nos instrumentos de medida no entanto pequenos desvios podem ter ocorrido Observou se que o conversor Buck Boost de quatro chaves com MPPT entra nos modos de opera o de maneira r pida quando a carga ou a tens o de entrada alterada Isto mostra que o conversor e seu sistema de controle respondem rapidamente as perturba es e as din micas do sistema o que uma caracter s
53. e um modo No entanto como todos os interruptores s o chaveados em alta frequ ncia o conversor apresentar altas perdas de chaveamento e baixo rendimento Ainda alguns esquemas de controle para o conversor FSBB s o apresentados por 20 De acordo com 33 tradicionalmente a metodologia de controle de conversores c c c c tem sido o controle anal gico Nos ltimos anos os avan os tecnol gicos na integra o de larga escala VLSI permitiram que os conversores c c c c fossem controlados com t cnicas digitais utilizando microcontroladores e processadores de sinais digitais DSP As principais vantagens do controle digital sobre controle anal gico a robustez e imunidade s altera es ambientais como a temperatura e envelhecimento dos componentes maior flexibilidade pois o software poder ser alterado sem necessariamente alterar o hardware implementa o de t cnicas avan adas de controle e os ciclos de projeto mais curtos Geralmente os DSPs t m mais poder computacional do que os microcontroladores Portanto algoritmos de controle mais avan ados podem e devem ser implementados em um DSP 4 2 Circuito de Controle do Buck Boost a quatro chaves Neste cap tulo ser o descritas as solu es de hardware para as tr s situa es necess rias para 0 carregamento de baterias cnumbo cido H solu es baseadas em hardware dedicado e outras utilizam sistemas microcontrolados Diversos fabricantes como a MICROCHIP aprese
54. echnology 01 12 499 24 Design Note 369 Industry s First 4 Switch Buck Boost Controller Achieves Highest Efficiency Using a Single Inductor Linear Technology 25 M Orellana B Estibals A Cid Pastor Y El Basri L Seguie e C Alonso A High Efficiency Photovoltaic Conversion Chain based on a Four Switch Buck Boost Converter International Conference on Renewable Energies and Power Quality Santiago de Compostela Spain 28th to 30th March 2012 26 AN 2124 Power Circuit Design For SolarMagic SM3320 Texas Instruments 27 Linares Leonor L Design and Implementation of Module Integrated Converters for Series Connected Photovoltaic Strings B S University of Illinois at Urbana Champaign 2007 A thesis submitted to the Faculty of the Graduate School of the University of Colorado in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science Department of Electrical Computer and Energy Engineering 2009 28 Kassakian John G Schlecht Martin F Verguese George C Principles of power electronics 29 HART Daniel W Power Electronics McGrawHill 30 R Erickson D Maksimovic Fundamentals of Power Electronics Kluber Academic Publishers Second Edition 2000 Massachusetts USA 31 VENABLE H D The Factor K A New Mathematical Tool For Stability and Synthesis Proceedings of Powercon 10 89 32 AN 1521 Practical Guide to Implementing
55. el fotovoltaico e discutido o comportamento do mesmo com o aumento ou redu o da imped ncia da carga Na curva caracter stica salienta se valores importantes como pot ncia m xima tens o e corrente no MPP nfase especial foi dada nos algoritmos Perturba e Observa P amp O e Condutancia Incremental IncCond por serem os mais utilizados na pr tica Para armazenamento da energia provida dos pain is fotovoltaicos foram estudadas as baterias de cnumbo cido Foram relacionadas informa es t cnicas utilizadas pelos fabricantes bem como seus conceitos T cnicas de carregamento de baterias chumbo cido s o fundamentais para um sistema alimentado por energia fotovoltaica para garantir a durabilidade das baterias Sistemas desta natureza necessitam de armazenamento de energia para o maior aproveitamento da energia e o cuidado quanto ao prolongamento da vida til de seus componentes imprescind vel M todos de carga e curvas de carga foram abordados e estudados com a finalidade de implementar a t cnica de controle de tens o e limita o de corrente no banco de baterias E por fim foi apresentado um fluxograma que ser utilizado pelo sistema de controle para impor os est gios de carga de baterias cnumbo cido 38 CAPITULO 3 Estudo da topologia do conversor Buck Boost a quatro chaves 3 1 Uma Breve Revisao Existem diversas topologias de conversores est ticos de pot ncia c c c c utilizados em sistemas de energia pa
56. ema que pode sugir quando se utiliza um conversor Buck Se a tens o de alimenta o estiver abaixo igual ou pouco acima da tens o do barramento c c das baterias e considerando as quedas de tens es nos componentes eletr nicos como diodos de prote o que a tens o direta VF encontra em torno de 1V o conversor Buck poder ter dificuldade para impor a tens o necess ria para carregar as baterias Diversos trabalhos nas literaturas aborda a utiliza o de conversores SEPIC e ZETA a fim de resolver o problema do conversor Buck no carregamento de baterias a partir de sistemas fotovolta cos O diagrama de blocos da Figura 4 5 mostra um conversor c c c c Buck Boost a quatro chaves de pot ncia sendo comandado por circuito de controle de MPPT D1 e D2 s o os PWMs para controlar os bra os Buck ou Boost O sistema ainda apresenta realimenta o da tens o e corrente de sa da Esta realimenta o importante pelo fato de que o sistema de controle pode controlar a corrente e tens o de sa da do conversor para carregar o banco de baterias de maneira recomendada no Cap tulo 2 Vsa da Conversor FSBB Isa da Vent V i Bateria 12V D1 D2 MPPT FIGURA 4 5 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle de um conversor c c c c Buck Boost a quatro chaves 65 O sistema de controle mais simples manter o valor de D1 D2 que id ntico ao conversor Buck Boost tradicional que chamado de esquema de controle d
57. entado que fun o do erro entre a tens o medida e a refer ncia O controle cl ssico de conversores c c c c utiliza modelos linearizados de pequeno sinais 30 A escolha do controlador normalmente Proporcional Integral Pl ou Proporcional Integral Derivativo PID pautada por caracter sticas desej veis de desempenho e robustez de sistemas lineares em malha fechada tais como Margem de Fase Margem de Ganho e Faixa de Passagem A Figura 4 1 baseada em 30 apresenta um diagrama de blocos em malha fechada utilizando o controle em modo de tens o MCT fun o do controlador impor caracteristicas din micas desejadas em malha fechada e rejeitar perturba es da tens o de entrada e da carga do conversor O m todo MCT lagarmente utilizado para efetuar controle em conversores est ticos de pot ncia O controlador ou compensador recebe o sinal amostrado da tens o e ajusta a raz o c clica mediante o sinal de sa da do controlador Pl ou PID comparado com uma onda dente de serra onda portadora quando se utiliza compensadores anal gicos Os ganhos proporcionais tempos de integra o e deriva o devem ser ajustados para garantir estabilidade robustez do conversor e controlador e ainda desempenho satisfat rio como por exemplo tempo de resposta overshoot erro em regime estacion rio na din mica da regula o Ferramentas como fator K desenvolvido por 31 devem ser utilizadas para 58 determinar as frequ
58. entes de sa da e o modo de opera o PM By Pass Esse bloco ser configurado pelo n vel de tens o colocado sobre os pinos de entrada A maneira mais simples de configurar o controlador digital utilizar resistores como divisor de tens o 12 VDDA VDDD HIB AINO gt us CONTROLADOR MPPT a E S UA w IR Sp Conversor Controlador I Anal gico Digital DOUT ADC SCL AIN4 il AINS x oa EM z ysoog no yong opow o esed saJojdnuajuisop opuewo 1 2 D ao X g Do ag a 5 a amp Ow go a a e a oO 3 E L a SDA 12CO 12C1 12C2 Ud ap sould AIN6 ES AIN7 Z oedsesiuNWwoD LddW JOpejoquoo op ojuawruopuny ap SOPO esed ogean VSSA VSSD FIGURA 4 11 Diagrama de Blocos do CI SM72445 baseado em 35 O pino de entrada AO permite limitar a m xima tens o de sa da A tens o no pino AO amostrada e armazenada no bloco ADC na alimenta o do controlador Este valor ser utilizado ap s o RESET acontecer Quando o sistema estiver no modo MPPT ou na inicializa o e enquanto o valor da tens o de sa da amostrado no pino Avout estiver acima da tens o de refer ncia configurada no pino AO o ciclo de funcionamento do conversor ser reduzido a cada atualiza o do MPPT 1 a 2ms dependendo da configura o da frequ ncia de trabalho do controlador digital Quando o conversor estiver operando na inicializa o do modo painel ou no modo painel PM n o existe controle sobre a tens o
59. eschetti N A RISC microcontroller based photovoltaic system for illumination applications Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC Fifteenth Annual IEEE vol 2 no pp 1151 1156 vol 2 2000 12 Nkashama Cedrick Lupangu Maximum power point tracking algorithm for photovoltaic home power supply Dissertation Master of Science in Electrical Engineering University of KwaZulu Natal Durban April 2011 13 Brito Moacyr A G de Junior Luigi G Sampaio Leonardo P Canesin Carlos A Avalia o das Principais T cnicas para Obten o de MPPT de Pain is Fotovoltaicos Universidade Estadual Paulista UNESP 9th IEEE IAS International Conference on Industry Applications INDUSCON 2010 14 Seguel Julio Igor L pez Projeto de um sistema fotovoltaico aut nomo de suprimento de energia usando t cnica MPPT e controle digital Disserta o de mestrado Universidade Federal de Minas Gerais Agosto PPGEE 2009 15 Onat Nevzat Recent Developments in Maximum Power Point Tracking Technologies for Photovoltaic Systems Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Vol 2010 11 pages International Journal of Photoenergy 16 Zainudin Hairul Nissah Saad Mekhilef Comparison Study of Maximum Power Point Tracker Techniques for PV Systems Proceedings of the 14th International Middle East Power Systems Conference MEPCON 10 Cairo University Egypt December 19 2
60. fiabilidade complexidade resposta e implementa o Tabela I Compara o dos m todos de MPPT T cnica Depend ncia Confiabilidade Complexidade Velocidade Implementa o do MPPT do Painel de Fotovoltaico converg ncia P amp O Nao M dia Baixa Variavel Anal gico Digital IncCond N o M dia M dia Vari vel Digital Voc Sim Baixa Baixa M dia Anal gico Digital Isc Sim Baixa M dia M dia Anal gico Digital L gica Sim M dia Alta R pida Digital fuzzy Rede Sim M dia Alta R pida Digital Neural 2 2 Sistema de controle de carga do banco de baterias Com a finalidade de n o danificar e ou reduzir a vida til do banco de baterias deve se monitorar o valor da tens o corrente de carga e descarga Se a tens o da bateria est muito baixa uma corrente controlada deve ser liberada para elevar o seu valor de tens o conforme especificado pelo fabricante e mostrada na Figura 2 9 Tens o Limite de tens o Corrente P Corte da corrente de carga 1 1 1 1 Tempo FIGURA 2 9 Curva de carga de uma bateria 31 De acordo com 17 um processo de carga adequado um dos fatores mais importantes a ser considerados quando se utiliza uma bateria chumbo cido regulada por v lvula O desempenho e a vida til ser o diretamente afetados pela efici ncia do carregador escolhido Alguns dados importantes sobre baterias de chumbo cido s o apresentados por 14 e 18 A Capacidade
61. ga se reduz fazendo com que a tens o na carga aumente at o ponto de m xima pot ncia A partir da o painel opera aproximadamente como fonte de corrente e a pot ncia decresce com a posterior diminui o da resist ncia da carga O algoritmo para rastreamento do ponto de m xima pot ncia MPPT visa levar o sistema atrav s da a o de controle a operar continuamente pr ximo ou sobre o ponto de m xima pot ncia de maneira est vel Segundo 12 necess rio seguir alguns crit rios para a escolha da t cnica de rastreamento do ponto de m xima pot ncia como resposta din mica erro em regime permanente e efici ncia no rastreamento A resposta din mica est relacionada com o tempo de atua o do sistema de controle Um algoritmo de 25 rastreamento bem projetado deve responder rapidamente as perturba es que o painel sofrer como mudan a da irradia o solar temperatura e muda a do valor da carga Desta forma sua efici ncia de energia ser elevada Na an lise em estado estacion rio essencial manter o sistema operando est vel no MPP por maior tempo poss vel para que o algoritmo MPPT absorva o m ximo de energia do painel Percebe se que mediante as pertuba es impostas pela natureza o sistema de controle deve responder rapidamente a estas intemperes No entanto dependendo do algoritmo utilizado a perturba o do sistema acaba sendo ampliada A efici ncia no rastreamento est relacionada com a pot
62. gundo est gio quando a bateria encontra se com a tens o acima de 10 5V O sistema imp e a m xima corrente dispon vel no painel dimensionada em um valor de 30 a 40 da corrente nominal da bateria Quando a bateria atinge a tens o de 14 5V a refer ncia de tens o passa a ser de 13 8V Nesta simula o n o aparece o est gio de sobrecarga e passa se diretamente ao quarto est gio de flutua o Na Figura 4 3 mostra a simula o do carregamento da bateria com pertubar o entrada de carga quando o sistema encontra se no 4 Est gio modo de flutua o Neste est gio ser aplicada uma carga com pequeno valor de resist ncia Percebe se que quando ocorre a entrada de carga no instante de 20s o controlador limita a corrente m xima para proteger a bateria visto que a tens o na bateria maior que 10 5V Como na simula o mostrada n o h entrada de energia dos pain is o sistema n o consegue mais impor a corrente demandada pela carga 62 fazendo com que a tens o no barramento da bateria diminua at 10 5V Em um determinado instante em que a tens o da bateria se torna menor do que 10 5V o compensador dever mudar a refer ncia da corrente de carga para o valor de 10 da CAh a fim de n o comprometer a bateria Neste caso o sistema dever retirar a carga do barramento c c abrindo por exemplo o contato de um rel ou acionando uma chave eletr nica para que a bateria n o se descarregue de maneira profunda dimin
63. ico com um algoritmo MPPT do Ingl s Maximum Power Point Tracking Conversor cc CC Rj Vo R Painel Fotovoltaico Algoritmo MPPT Dente de Serra ou triangular JUL Comparador FIGURA 2 2 Exemplo de um sistema fotovoltaico 23 Ainda pelo fato das varia es clim ticas temperatura incid ncia solar alterarem o ponto de m xima pot ncia do painel fotovoltaico o rastreamento deve ser feito periodicamente pelo sistema de controle como mostra a Figura 2 3 no diagrama de blocos do sistema a ser implementado O controlador de MPPT pode ser implementado a partir de um controlador digital que tem como objetivo rastrear o ponto de m xima pot ncia do painel fotovoltaico e comandar atrav s da modula o por largura de pulso PWM o conversor c c c c O Bloco do conversor C c c c consiste em uma topologia Buck Boost a quatro chaves com um sistema de By Pass O sistema de By Pass que s o um conjunto de interruptores que conectam o painel fotovoltaico carga segundo o modo de controle Conversor Buck Boost a quatro chaves uma parte fundamental do MPPT visto que sua fun o transferir a energia armazenada no indutor da entrada para a sa da de forma que na carga permane a circulando corrente no ligamento e desligamento das chaves Sua finalidade manter a tens o de sa da e ou corrente de sa da em valor desejado A principal fun o do MPPT proporcionar uma tens o e ou
64. ido o est gio de carregamento da bateria Se a bateria apresentar valor de tens o abaixo do limite recomendado pelo fabricante tipicamente 10 5V o sistema de controle ajustar uma corrente de refer ncia em torno de 10 do valor nominal carga lenta Se a tens o estiver entre 10 5V e 13 8V o sistema atuar no modo de carga r pida ou seja impondo uma corrente de 30 a 40 do valor nominal da bateria 36 Inicializa o Medir tens o da bateria Iniciar Carga lenta Iniciar carga profunda Manter tens o de alimenta o e corrente igual 1 da nominal Mudar refer ncia de controle FIGURA 2 12 Fluxograma de carregamento do banco de baterias 37 2 3 Conclusao Neste capitulo foram discutidas t cnicas de rastreamento do ponto de m xima pot ncia para pain is fotovoltaicos MPPT As t cnicas de MPPT visam obter a m xima efici ncia de um painel fotovoltaico Este rastreamento leva em considera o a irradia o solar temperatura e imped ncia da carga Isto n o exclui o fato de que um projeto eficiente de um conversor de pot ncia deve ser considerado Perdas de chaveamento e perdas de condu o devem ser minimizadas a fim de possibilitar a m xima utiliza o desta energia Um conversor c c c c com melhor efici ncia em rela o aos conversores cl ssicos ser discutido e proposto no pr ximo cap tulo De outra parte foi apresentada de forma sucinta a curva caracter stica de um pain
65. l tricos fotovoltaicos em reas remotas s o tipicamente equipados com bateria para armazenamento de energia Desta forma quando h luz solar feita a produ o de energia el trica pelos pain is e armazenada nas baterias Quando h falta de luz solar o banco de baterias passa a fornecer energia el trica Tais sistemas devem utilizar controladores de carga para impedir que as baterias sejam carregadas de maneira inadequada causando a redu o da sua vida til As baterias de chumbo cido requerem corrente de carga baixa portanto menos energia solicitada da placa solar a fim de n o danificar as c lulas da bateria pontua 9 Para n o reduzir a vida til da bateria normalmente os fabricantes de baterias chumbo cido recomendam carregar a bateria em carga lenta o que 17 corresponde a 10 da corrente nominal da capacidade de fornecimento em Amp re hora No entanto o sistema controlador de carga deve ser projetado tamb m para monitorar a temperatura e a descarga da bateria a fim tamb m de n o reduzir a vida til Em 10 cita se que a m xima corrente de carga da bateria dada para corrente nominal 10 ou seja 10 da corrente da bateria a fim de proteger contra o excesso de aquecimento e a m nima corrente de carga da bateria corrente nominal 100 ou seja 1 da corrente da bateria quando a bateria 100 carregada A Figura 1 2 mostra o gr fico da tens o e a corrente em fun o do tempo para a c
66. liar o desempenho recursos e os custos de implementa o do sistema Se o sistema utilizar um microcontrolador e ou DSP deve se levar em conta o firmware processamento consumo entradas anal gicas para leituras de tens o e corrente do sistema entradas e sa das digitais sa das PWM vantagens e desvantagens dos sistemas embarcados para aplica o em sistemas fotovoltaicos De acordo com 10 a implementa o do algoritmo para rastreamento do ponto de m xima pot ncia apresenta v rias vantagens como e Maior utiliza o da produ o de pot ncia pelo sistema fotovoltaico e Aumento do tempo de vida da bateria para m ximo rearmazenamento de energia em um curto tempo de carga A presente pesquisa tem grande relev ncia porque visa a implementa o de um sistema para carregamento eficiente de um banco de baterias com energia proveniente de um sistema fotovoltaico Seus resultados poder o atender diversos p blicos como por exemplo consumidores residenciais industriais as concession rias em seu papel de promover gera o de energia sustent vel e da sociedade em geral O que garante isto o fato do sistema eletr nico a ser implementado poder gerenciar a energia armazenada no banco de baterias e disponibilizar quando necess rio e ou quando as baterias estiverem carregadas a fim de n o consumir a eletricidade proveniente da concession ria de energia el trica Consequentemente ser um avan o no que diz respeito redu o
67. m conversor c c c c sendo comandado por um controlador on off Conversor Painel Carga S c c c c PWM x Dente de Calculode Par serra Pot ncia O Controlador Algoritmo MPPT P amp O Pmprr FIGURA 4 4 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle MPPT A pot ncia m xima Pmax menos a pot ncia atual Par o erro de pot ncia que atua no controlador on off ligando ou desligando a chave do conversor respeitada um valor de histerese Observa se que a carga n o possui um sistema de controle de tens o e corrente sendo que o conversor c c c c fornecer uma pot ncia m xima de sa da limitada apenas pela imped ncia da carga Geralmente a topologia Buck utilizada para fornecer a alimenta o as baterias visto que quando este conversor trabalha em modo de condu o cont nua 64 tem caracter stica linear Isso simplifica muito a opera o pois o controlador do MPPT pode ser implementado operando diretamente no ciclo de trabalho D Como visto a topologia Buck Boost tem dinamica nao linear e operar diretamente no dutycycle do conversor para regular a tensao baseado em modelos linearizados podendo produzir resultados inesperados especificamente nos altos valores da razao ciclica D Para corrigir este problema nos conversores que t m respostas nao lineares recomenda se utilizar um compensador proporcional integral Pl na sa da do MPPT para comandar a chave 32 H um probl
68. manter a m xima pot ncia transferida para a carga o conversor muda de opera o baseado nas condi es de carga e irradia o solar Para a menor condi o de carga o conversor controlado pelo SM72445 entrou no modo de opera o Boost para a maior condi o de carga o conversor entrou no modo de opera o Buck Para a condi o de carga intermedi ria o modo PM modo painel foi ativado Note que no modo PM que ativa as chaves By Pass o modo que possui maior rendimento o que justifica o seu uso No entanto para sistemas de carregamento de bateria este modo n o poder ser utilizado Os primeiros testes foram feitos em uma placa de valida o do controlador digital SM72445 para verificar o funcionamento do MPPT em um painel fotovoltaico sendo as configura es do controlador digital feitas na entrada A4 para uma corrente limitada a 10A e conforme Eq 17 uma tens o se sa da m xima de 40V e uma frequ ncia de chaveamento de 200KHz Al m disso testou se a prote o de 81 tens o do SM72445 ajustado para uma tens o limite de 40 V Sempre que a tens o de sa da do conversor ultrapassa 40 V o conversor limita a tens o e a corrente de sa da diminui Consequentemente o painel sai do ponto de m xima pot ncia MPP A Tabela VII apresenta resultados do conversor c c c c operando nos tr s modos Buck Boost e Painel Este conversor foi testado a partir de um painel fotovoltaico o que constantemente mudava o modo d
69. mentos de desanimo e ang stia em que desacreditei da minha capacidade Por sempre me dizer vai dar certo vai dar tempo Por me ensinar que com muito trabalho tudo poss vel Por me apoiar nos momentos de tomadas de decis es dif ceis Que mesmo dist ncia n o duvidou do meu comprometimento e se fez presente em cada d vida no decorrer deste processo Por me conduzir de forma brilhante at o nosso objetivo final Professor muito obrigado por trilhar o caminho do conhecimento ao meu lado Tenho orgulho de ser seu orientando e poder conviver com a sua sabedoria Agradecimentos Ao Prof Dr Pedro F Donoso Garcia co orientador desta disserta o pela disponibilidade paci ncia e colabora o nas dificuldades t cnicas e te ricas Obrigado por me aceitar como co orientando com desprendimento e sem reservas Voc me ensinou que sempre posso melhorar Ao Prof Dr Porf rio Cabaleiro que sempre me atendeu de forma cordial e imparcial Sempre dispon vel para seus alunos Obrigado pelo profissionalismo e compreens o Nunca vou me esquecer das suas aulas fant sticas perfeito Aos meus colegas do GEP Wanner Thiago A cio Ricardo e Vitor do PET pela parceria troca de conhecimentos e ideias Voc s confirmam que a uni o faz a for a Agrade o ao Programa de P s Gradua o da Universidade Federal de Minas Gerais pela oportunidade de estudar em uma institui o de excel ncia promovendo assim o me
70. ncontradas nestes controladores digitais Para o controle do conversor c c c c foi escolhido o circuito integrado SM72445 da Texas Instruments que um controlador program vel para rastreamento do ponto de m xima pot ncia com frequ ncia e PWM ajust vel Este controlador de MPPT consegue comandar os quatro interruptores do conversor Buck Boost al m de possuir um algoritmo chamado Panel Mode PM que ativa o conjunto de interruptores ligando a tens o de entrada do painel diretamente a sa da do conversor quando a tens o de entrada for igual tens o de sa da com a finalidade de otimizar o desempenho do conversor visto que a carga ficar praticamente conectada diretamente no barramento do painel A Figura 4 8 mostra um exemplo de um circuito de aplica o retirado de 35 O SM72445 utiliza um avan ado controlador digital para gerar os comandos PWM s que ativam as chaves O algoritmo de rastreamento do ponto de m xima pot ncia MPPT monitora a tens o e corrente de entrada e controla a largura do pulso do sinal PWM para maximizar a pot ncia retirada do painel fotovoltaico De acordo com 35 o desempenho muito r pido A converg ncia do ponto de m xima pot ncia MPP ocorre em 0 01 segundos Isso permite que o controlador mantenha um timo desempenho para mudan as r pidas da irradia o solar 69 FIGURA 4 8 Circuito de aplica o do SM72445 35 As transi es entre o modo Buck Boost e Painel s o efetuad
71. nivel l gico baixo a partida suave da tens o de sa da inicia se em forma de uma rampa com valor de tempo de 250ms a 500ms dependo da configura o de frequ ncia de chaveamento selecionado no pino A2 A Figura 4 10 mostra a resposta da tens o de sa da quando o controlador foi energizado in TOV DIV Tempo 100ms DIV FIGURA 4 10 Sequ ncia de inicializa o do SM72445 35 Se n o for medida nenhuma corrente de sa da no tempo de inicializa o o controlador ativar o pino PM a fim de colocar o conversor no modo By Pass por 60 segundos Se acontecer qualquer varia o de pot ncia por exemplo pela carga ou pela irradia o solar durante esse tempo o controlador n o rastrear o MPPT O Cl SM72445 utiliza algoritmo Perturba e Observa P amp O para executar o MPPT O Controlador utilizado possui frequ ncia program vel de 110KHz 137KHz ou 220KHz e necessita de apenas um indutor para as 4 chaves O m dulo I2C permite configurar diversas fun es al m de poder utilizar at 7 Cls como escravos em um barramento mestre comandando por exemplo por um microcontrolador A Figura 4 11 mostra o diagrama de blocos do Cl SM72445 consistindo de dois blocos um anal gico e outro digital O Bloco ADC respons vel por fazer as leituras das tens es e correntes de entrada e sa da Avin Alin Avout e Alout e os pinos AO a A6 permitem configurar o seu modo de funcionamento limites de tens es e corr
72. ns o com uma refer ncia constante fixada em 14 5V Este modo opera sempre que a tens o da bateria estiver abaixo da tens o de corte Acima da tens o de corte tem se a carga r pida com o controle MPPT at quando a tens o na bateria atingir o valor m ximo de 14 5V Ent o entra se no modo de sobrecarga usando se novamente o controle em tens o A partir deste ponto a corrente come a a descrescer e quando a mesma atingir um valor m nimo predefinido entra se no modo flutua o com a regula o de tens o usando um valor de refer ncia abaixo da tens o m xima A Figura 2 11 do Cap tulo 2 mostra como devem ser a corrente e a tens o fornecida bateria na sa da do conversor O sistema de controle do conversor Buck Boost a quatro chaves dever garantir este perfil no carregamento da bateria Considerando que a bateria encontra se descarregada com uma tens o abaixo da tens o de corte o sistema ir impor uma tens o fixa de entrada para o carregamento e uma limita o de corrente abaixo de 10 da corrente dependendo da especifica o da bateria o que corresponde ao 1 Est gio de carregamento Assim faz se o controle da tens o com limita o de corrente MCTLC Quando a tens o na bateria atinge o valor de tens o de corte inicia se a carga r pida com um controle do tipo MPPT que ser descrito no Cap tulo 4 1 2 Isto corresponde ao 2 Est gio carga r pida Quando a tens o m xima da bateria for atingida tipicame
73. nta ANs Application Notes sobre MPPT e carregamento de baterias utilizando microcontroladores comerciais e de baixo custo A solu o baseada em microcontrolador permite maior flexibilidade no sistema de controle do MPPT e do sistema de carga do banco de baterias visto que as mudan as ser o feitas em software Mas este sistema de controle apresenta alguns desafios Nos sistemas microcontrolados o controle ser desenvolvido em software O sistema de compensa o dever levar em considera o o tempo de atraso que os sistemas digitais apresentam quando amostram uma vari vel Tempos de varredura e frequ ncia de clock em sistemas microcontrolados s o fundamentais 66 para garantir a atualiza o das vari veis a fim de manter um sistema est vel e controlav l Os ganhos das malhas de controle Pl ou PID desenvolvidos no software normalmente s o declarados como sendo vari veis do tipo float O sistema de controle microcontrolado dever amostrar o sinal de realimenta o do conversor em uma entrada anal gica Este sinal anal gico convertido em digital ser uma refer ncia para as malhas de controle atuarem nas raz es c clicas dos sinais PWM dos comandos das chaves do conversor A Figura 4 6 mostra a intera o dos perifericos externos como sensores de tens o e de corrente transceptores display etc E na Figura 4 7 apresentado um diagrama de blocos do sistema integrado MPPT com o controlador de carga de Temperature SCL
74. nte de 14 5V para baterias cnumbo cido entra se no 3 Est gio sobrecarga no qual o controle passa a ser do tipo MCT com a tens o m xima como refer ncia Monitora se a corrente da bateria e quando esta decrescer e atingir o valor m nimo estabelecido pelo fabricante inicia se o 4 Est gio flutua o mantendo assim uma refer ncia de tens o para o MCT abaixo da tens o m xima tamb m especificada pelo fabricante da bateria A Figura 4 2 mostra uma simula o do comportamento do carregamento da bateria operando nos quatro est gios de carga Note que a simula o durou alguns 61 segundos enquanto a carga de baterias de chumbo acido na realidade leva horas O sistema simulado usou um capacitor de 0 5F em lugar da bateria para reduzir a escala de tempo do armazenamento de energia e realizar a simula o em tempo reduzido Imax Vbat 15 Segundo estagio i Terceiro est gio Vbat Primeiro estagio i Quarto est gio Corrente de carga Im x 0 2 4 6 8 Tempo s FIGURA 4 2 Carregamento de bateria nos quatro est gios proposto No primeiro est gio a tens o da bateria encontra se bem abaixo de 10 5V ea corrente imposta na bateria pequena em compara o com a corrente nominal carga lenta De acordo com os fabricantes das baterias este carregamento dever durar cerca de 10 horas com uma corrente limitada em no m ximo 10 do valor nominal da bateria O se
75. ocorre mudan a de temperatura ou irradia o No controle direto s o utilizadas t cnicas de Perturbar e Observar P amp O Condut ncia Incremental InCond t cnicas de intelig ncia artificial como redes neurais e l gica fuzzy 12 Os m todos de controle direto s o capazes de obter a m xima pot ncia real quando as varia es meteorol gicas ocorrem Normalmente uma ou duas vari veis podem ser utilizadas para a procura do MPP Os m todos 26 P amp O e Condutancia Incremental C utilizam duas vari veis tens o e corrente para calcular a pot ncia m xima e tens o e corrente de sa da do painel enquanto os m todos de tens o constante CV e corrente de curto circuito sc utilizam somente uma das vari veis tens o ou corrente respectivamente De acordo com 13 as principais t cnicas de MPPT s o Raz o C clica Fixa Tens o Constante CV Perturba o e Observa o P amp O Condut ncia Incremental IncCond m todo Beta 8 entre outros Ainda em 13 o desempenho do modelo do m todo Beta avaliado A t cnica de MPPT com a Raz o C clica Fixa um m todo em malha aberta que consiste em manter a largura do pulso constante para uma determinada carga conhecida O m todo de Tens o Constante opera em malha fechada utiliza o valor da tens o pr determinada para o ponto de m xima pot ncia MPP Este valor encontra se em torno de 70 a 80 do valor da tens o de circuito aberto Vopen do painel que de
76. olu es embutidas para facilitar o projeto de sistemas que envolvem conversores c c c c energia fotovolta ca e carregamento de baterias O sistema de gera o de energia baseado em paineis solares MPPT e conversores de pot ncia c c c c necessitam de armazenamento da energia retirada do pa nel Este armazenamento se d atrav s das baterias de chumbo cido Estas baterias devem ser monitoradas para efeito de carga e descarga para n o diminuir sua vida til que pode chegar a cinco anos dependendo das condi es de trabalho O controlador utilizado neste trabalho n o realiza o controle de carga e descarga de baterias cnumbo cido no entanto permite este controle indiretamente atr ves das configura es do controlador ou atrav s de comunica o 12C Enfim este controlador dedicado de MPPT para um conversor Buck Boost a quatro chaves com ou sem chave externa para By Pass O conversor atuando com o controlador mostrou se com desempenho e efici ncia de pot ncia acima de 92 Como este controlador dedicado apresenta como desvantagem o n o acesso direto de algumas vari veis de controle No entanto com a utiliza o deste controlador novos projetos com energia fotovoltaicos poder o ser desenvolvidos com maior facilidade 85 6 2 Propostas de Continuidade Como sugestao para trabalhos futuros pode se citar gt Amostirar os pontos de tens o e corrente a cada minuto em um teste de carregamento de baterias e faze
77. ores de energia renov vel tais como os sistemas fotovoltaicos podem ser conectados a sistemas de corrente cont nua o que aumenta sua efici ncia pois n o necessitam de um inversor c c c a e um circuito retificador As microrredes s o cogeradoras de energia el trica baseada em fontes renov veis como a solar e a e lica destinadas a atender pequenos centros de consumo como bairro residencial hospital escola condom nio etc 6 7 Microrredes contam com pequenas fontes de energia chamadas de microfontes que normalmente s o derivadas de fontes de energia renov veis como por exemplo micro turbinas e licas pain is solares Segundo 6 8 as microrredes com capacidade de gera o instalada na faixa de 10 a 100 kW consistem em potencial emergente de gera o distribu da que associa gera o e cargas em um subsistema Uma microrrede pode trabalhar independentemente ou conectada com a rede p blica conforme mostra a Figura 1 1 onde se podem observar diferentes fontes de gera o de energia como gerador e lico c lulas de combust vel e pain is 16 fotovoltaicos Neste caso o sistema de pot ncia esta conectado em paralelo com a microrrede Pretende se neste trabalho desenvolver uma aplica o inserida no conceito de microrredes e nanorredes a qual consiste num carregador de baterias com controle por MPPT Microrrede Microrrede jag Microrrede FIGURA 1 1 Estrutura de uma microrrede Sistemas e
78. orna mais eficiente que os conversores cl ssicos 25 27 visto que apresenta caracter sticas dos conversores Buck e Boost sem a necessidade de ter grandes componentes de filtragem na entrada e na sa da Outra vantagem da topologia FSBB que a tens o de sa da tem a mesma polaridade da entrada ao contr rio da topologia do Buck Boost com uma chave que inverte a polaridade de sa da Isso cria uma ferramenta de projeto mais f cil quando se procura um conversor c c c c para regular a tens o de sa da numa larga escala de tens es de entrada Outra caracter stica importante a redu o do estresse nas chaves semicondutoras al m da comuta o s ncrona Este conversor estudado apresenta como desvantagem em rela o aos conversores cl ssicos Buck Boost SEPIC Flyback etc o n mero de chaves a serem controladas 53 3 5 Conclusao Este capitulo apresentou alguns conversores c c c c e as topologias classicas difundidas nas literaturas com um quadro comparativo entre os ganhos estaticos mostrando a linearidade ou nao desses conversores O conversor Buck Boost de duas e quatro chaves foi abordado para fazer face a diversos problemas dos conversores cl ssicos sendo o segundo proposto para este trabalho As Equa es em Espa o de Estados s o apresentadas para an lise do conversor Percebe se que o conversor Buck Boost a quatro chaves comporta se como dois conversores independentes um do outro por m em um mesmo conver
79. os valores de tens o a ser colocado no pino A2 com respectivos valores de frequ ncia e modo de opera o do painel com chave auxiliar By Pass ou chaves da ponte H Tabela VI Configura o da entrada anal gica A2 A2 Configura o da frequ ncia Modo de opera o do painel PM do PWM 4 69 V 220KHz Utiliza chave dedicada para modo painel 4 06 V 220KHz Utiliza chave dedicada para modo painel 3 44 V 110KHz Utiliza a ponte H para o modo painel 2 81 V 137KHz Utiliza a ponte H para o modo painel 2 19V 220KHz Utiliza a ponte H para o modo painel 1 56 V 110KHz Utiliza chave dedicada para modo painel 0 94 V 137KHz Utiliza chave dedicada para modo painel 0 31 V 220KHz Utiliza chave dedicada para modo painel O Fluxograma da Figura 4 9 mostra o funcionamento b sico do controlador digital utilizado neste trabalho Percebe se que quando energiza o controlador ativado o reset e logo se inicia a partida suave a fim de calcular o MPPT ou ativar o modo painel baseado nos valores de corrente RST ativado em nivel baixo RST ativado em nivel baixo lout lt lout th lout gt lout th Inicia modo lout lt lout th PM lout gt out th e o tempo de partida decorrido PM colocado em n vel baixo No modo Buck Boost para x segundos onde x ser configuardo no canal ADC 2 FIGURA 4 9 Fluxograma do funcionamento do Cl SM72445 35 71 Ap s o controlador ter o seu reset ativado em
80. ost 2L1 Fsw Uma boa pr tica limitar a ondula o de corrente a menor que 30 da m xima corrente CC e assim o indutor L pode se calculado por 13 Vout min 1 Dbuck _ min L Z 0 6P max Fsw min Modo _ Buck 13 Vinpp Dboost _ max Ll gt 0 6Pmax Few min Modo _ Boost O capacitor de entrada e saida pode ser calculado por 14 Vout _max Vmpp _ min Cin 5 8 Fsw min LLAVin pp 14 Pas Vmpp _max Vout _ min Vout _ min 8 Fsw E min L1 Vmpp _ max AVout _ pp 50 3 4 Simulagao dos modos do conversor Buck Boost a quatro chaves A opera o do conversor Buck Boost a quatro chaves para os seus diferentes modos de opera o foi obtida via simula o As Figuras 3 11 a 3 13 apresentam os tr s modos de opera o No intervalo de tempo de Os a 0 65 simulada uma irradia o solar de 1000 W m de 0 6s a is simulada uma irradia o solar de 800 W m A corrente de entrada li est em vermelho a corrente de sa da lo em azul a tens o de entrada V gerada pelos pain is fotovoltaicos em preto e a tens o de sa da Vo do conversor em verde A estrat gia de controle utilizada para o conversor atingir o MPPT a atua o direta na raz o c clica sem malhas internas de controle A opera o nos modos Buck Boost e Painel n o depende do MPPT sendo fun o dos valores da tens o de entrada e da carga O controle for a a corrente de sa da do painel a ser igual a
81. por exemplo a imped ncia de carga A Figura 2 1 mostra uma curva caracter stica de painel fotovoltaico corrente x tens o com a interse o do ponto de m xima pot ncia MPP Vm X Im onde Vm e Im definem a maior rea do ret ngulo inscrito ou seja a m xima pot ncia Percebe se que medida que a carga varia o ponto de opera o do painel se move sobre a curva de corrente tens o l V Diminuindo a resist ncia de carga o ponto se deslocar para a esquerda e aumentando a resist ncia da carga o ponto deslocar para a direita H uma condi o de resist ncia que corresponde para as condi es vigentes de insola o sobre o painel fotovoltaico e temperatura do mesmo m xima pot ncia absorvida Nestas condi es qualquer varia o de resist ncia implica em sa da do MPP 22 PV I V Curva Resistor l V CORRENTE Y Aumento da resist ncia TENSAO Vin FIGURA 2 1 Interse o da curva IV e as varia es da resist ncia de carga Sob condi es normais 1KW m O 25 De acordo com a varia o da carga a m xima transfer ncia de pot ncia ocorre quando a resist ncia de carga Rios igual resist ncia tima Rot que por sua vez igual raz o de tens o e corrente no MPP Ro Vm lm A fim de rastrear o MPP do painel importante selecionar cuidadosamente os par metros do painel solar sobre as caracter sticas l V da carga A Figura 2 2 mostra a ideia de um sistema fotovolta
82. r Buck Boost a quatro chaves FSBB De acordo com 20 para um conversor de dois estagios ha varias abordagens de acordo com a estrat gia de controle e isola o galvanica Entre os seis conversores b sicos n o isolados citados no item 3 1 as tens es de sa da dos conversores Buck Boost e Cuk t m polaridades invertidas em rela o tens o de entrada e os dispositivos de pot ncia sofrem altos estresses de tens es O artigo afirma ainda que SEPIC e ZETA s o conversores complicados e tamb m que as chaves sofrem elevados estresses O conversor Buck Boost n o inversor mostrado na Figura 3 4 um conversor em cascata que pode ser um elevador ou abaixador de tens o Quando a tens o de sa da for muito baixa os diodos D2 e D3 podem ser substitu dos pelos MOSFET s Q2 e Q4 para formar um retificador s ncrono a fim de melhorar a efici ncia do conversor conforme mostrado na Figura 3 5 Vin Vout CIN COUT FIGURA 3 4 Conversor n o inversor Buck Boost 42 Vin Vout CIN COUT FIGURA 3 5 Conversor Buck Boost a quatro chaves Devido a queda de tens o que os diodos de sil cio apresentam entre 0 7V a 1V para tens es de entrada abaixo de 10V esses valores se tornam consider veis A solu o substituir tais diodos por diodos do tipo Schottky que possuem queda de tens o em torno de 0 3v Todavia esses diodos apresentam altas perdas quando o n vel de corrente elevado em baixas tens es Neste c
83. r a aquisi o destes dados para uma interface gr fica gt Manipular as configura es do controlador digital SM72445 atrav s da comunica o 12C gt Estudar o compartilhamento de tens o e corrente de pain is interligados em s rie paralelo e misto para interligar o conversor atuando com MPPT gt Montar prot tipos do conversor Buck Boost a quatro chaves para realiza o do MPPT de cada painel fotovoltaico com a finalidade de interligar os mesmos para verificar o compartilhamento de pot ncia de cada m dulo gt Desenvolver prot tipos com controladores dedicados em uma rede 12C controlando conversores Buck Boost a serem gerenciados por um dispositivo mestre por exemplo microcontrolador ou DSP gt Estudar a possibilidade de adicionar conversores c c c a ao m dulo de MPPT para fornecer energia para uma pequena microrrede local 86 Refer ncias Bibliograficas 1 Li Zhongcheng Yao Tong Renewable Energy Basing on Smart Grid Wireless Communications Networking and Mobile Computing WiCOM 6th International Conference on vol no pp 1 4 23 25 Sept 2010 2 Roggia L Rech C Schuch L Baggio J E Hey H L Pinheiro J R Design of a sustainable residential microgrid system including PHEV and energy storage device Power Electronics and Applications 14th European Conference on vol no pp 1 9 Aug 30 Sept 1 2011 3 Siemens Energy dispon vel em www energy siemens com hq en renewable
84. ra a partir de um valor de tens o de entrada obter um valor de tens o de sa da desejado para alimentar uma carga Dentre estes pode se citar seis conversores cl ssicos mais utilizados Buck ou Step down o conversor abaixador de tens o Boost ou Step up o conversor elevador de tens o buck boost ou step down step up o conversor abaixador elevador de tens o Sepic Zeta e Cuk s o conversores elevadores ou abaixadores de tens o dependendo do sinal de controle D raz o c clica ou dutycycle Estes conversores s o alimentados por tens o ou corrente cont nua e t m como fun o ajustar o sinal de sa da tens o ou corrente de acordo com a necessidade do sistema A Figura 3 1 mostra a representa o simplificada de conversor c c c c Conversor C C C FIGURA 3 1 Representa o simplificada de um conversor 39 Em um conversor ideal as perdas internas s o nulas e a pot ncia de entrada P1 igual pot ncia de sa da P2 conforme 3 e 4 Pi P2 3 P1 VLIZeP2Z V212 4 O ganho est tico de um conversor operando em regime permanente c c c c definido em 5 como pi V1 5 A Tabela IV mostra os ganhos est ticos dos seis conversores b sicos difundidos em v rias literaturas e aplica es em eletr nica de pot ncia Tabela IV ganhos est ticos de alguns conversores cl ssicos ideais Conversor Ganho est tico Buck D Boost 1 1 D Buck
85. rge cycle as stated by the manufacturer and maintaining a residual minimum load in order to prolong the lifetime of the batteries Therefore a review will be made on photovoltaic systems and techniques for tracking the maximum power point in the context of isolated microgrids The issue of efficiency and availability of a wide range in voltage leads us to study and consider the topology of the Buck Boost converter with four keys Aiming at the development and application of a commercially attractive prototype a study of microcontroller systems and integrated circuits dedicated to this type of problem is made The simulations are performed as a tool for the system design and for its validation and analysis Finally the implementation of the electronic system is made to validate the study Keywords Converter Buck Boost four switches with By Pass Microgrids MPPT Maximum Power Point Tracking Photovoltaic Panel Sumario RESUMO soe TTT 06 PADS rO asec ecient cree eet ad a a aa AGIA ADA et tet stench A 07 Gista de e Ug eae pee eC nee oe ree eT i ore ANE e eee 10 Lista de abelas sse 13 N me clat a esse rp piste eee eG ee ie ee ee 14 Capitulo 1 Introdu o Geral 1 1 Contextualiza o do Trabalho e Motiva o eee 15 1 2 Objetivos da disserta o errar aaaaaararea aa aanann 20 1 2 1 Objetivos GERAIS ias es SA RD SR an cee 20 1 2 2 Objetivos ESPEC NCOS ass rasas anima kn china as
86. s Osmane Lopes que me ensinou ser guerreiro e batalhador Muito obrigado por ser exemplo na minha vida minha amada esposa Fernanda Souza Brand o por me acompanhar nas minhas loucuras sem questionar Por me dar suporte durante um ano e suportar a minha aus ncia noutro Pelo caf nas longas e intermin veis madrugadas de estudos que passou ao meu lado Pelo companheirismo nos momentos dif ceis Por estar ao meu lado e me amar de forma incondicional Muito obrigado por ser o alicerce da minha vida E por fim o agradecimento mais importante Deus pai todo poderoso misericordioso Muito obrigado por todas estas pessoas que de alguma forma me ajudaram direta ou indiretamente Obrigado Deus por me guiar e iluminar Obrigado por colocar anjos na minha vida Obrigado pela minha sa de Obrigado por conhecer e conviver com pessoas bonissimas E principalmente por me conceder a d diva de viver e poder realizar o meus sonhos Resumo Este trabalho trata do estudo e desenvolvimento de um carregador de baterias de chumbo acido baseado em um conversor Buck Boost a quatro chaves com um circuito de By Pass A gera o de energia fotovoltaica e o sistema conectado a uma microgrid Dois sao os aspectos principais da presente disserta o Primeiro utilizar a energia fotovoltaica com m xima efici ncia do conversor e aproveitar a m xima pot ncia dispon vel de irradia o solar Segundo garantir o carregamento r pido das b
87. sor aumentando assim o seu rendimento em rela o aos conversores cl ssicos Dependendo do valor das raz es c clicas das chaves o conversor pode operar como abaixador ou elevador de tens o ou seja em duas topologias e caracter sticas distintas juntas em um conversor Com a utiliza o do By Pass o conversor opera no modo chamado Modo Painel Desta forma poss vel aumentar a sua efici ncia quando a tens o de alimenta o for igual tens o de sa da sendo desligadas as quatro chaves que formam o conversor Buck Boost Para complementar o entendimento do seu funcionamento foi feita a simula o do conversor no software PSIM Nesta simula o foi poss vel demonstrar os diversos modos de opera o do conversor o modo Buck quando a tens o de entrada for maior que a tens o de sa da o modo Boost quando a tens o entrada for menor do que a tens o de sa da e no modo By Pass quando a tens o de entrada for igual a tens o de sa da Todas as simula es mostram que a pot ncia de entrada dever ser igual pot ncia de sa da em modo ideal Enfim pode se concluir que conversores a quatros chaves Buck Boost apresenta diversas vantagens em rela o aos conversores cl ssicos Deve se priorizar a aplica o deste quando se tem uma grande faixa de varia o da tens o de entrada e n o constante bem como varia o de cargas com frequ ncia sendo ideal para aplica es em sistemas fotovoltaicos 54 CAPITULO 4 Sis
88. tema de controle do conversor Buck Boost a quatro chaves discussoes e justificativas Este capitulo apresenta o sistema de controle para 0 conversor Buck Boost a quatro chaves na aplica o de carregador de bateria servindo uma microrrede Inicialmente ser contextualizado o problema da gera o fotovoltaica 0 rastreamento de m xima pot ncia para a carga r pida da bateria os requisitos de carga de uma bateria chumbo acido e a estrutura do controlador para efetuar esta tarefa Esta estrutura ser vista primeiramente do ponto de vista da lei de controle e finalmente do ponto de vista do hardware desenvolvido para efetuar o controle do carregamento das baterias com sua descri o em detalhe 4 1 Controle de carregamento de baterias com MPPT Segundo 28 todos os sistemas de controle s o baseados de forma impl cita ou expl cita no modelo que descreve como a a o de controle e as pertuba es devem afetar o comportamento do sistema Desenvolver um sistema de controle de um conversor de pot ncia implica especificar a condi o de opera o nominal pretendida e a regula o do circuito de modo que permane a pr ximo s caracteristicas nominais Isto ainda mais crucial para controladores lineares e modelos linearizados visto que os erros de modelagem e grandes pertuba es fazem com que a din mica real do circuito desvie se da opera o prevista pelo modelo O conversor c c c c utilizado no presente trabalho control
89. tica essencial para um sistema de alimenta o a partir de pain is fotovoltaicos A segunda etapa de testes consiste em avaliar o desempenho do conversor com MPPT em um sistema de carga de baterias Detalhes da montagem est o no Ap ndice 1 83 CAPITULO 6 6 1 Conclusoes Finais e Propostas para Continuidade Neste trabalho apresentou se estudos sobre pa neis fotovoltaicos t cnicas de ratreamento de MPPT conversores est ticos de pot ncia e metodologia visando o carregamento de baterias para ser utilzado em uma microrrede Sistemas fotovoltaicos um forte candidato em energias alternativas para interligar em microrredes No entanto estes sistemas t m custos elevados e baixa produ o de energia por isso o sistema necessita efetuar o rastreamento de m xima pot ncia dos m dulos extraindo ent o a m xima energia Este ponto de m xima pot ncia depende da irradia o solar da imped ncia de carga e temperatura Mudan as da irradia o solar acontecem a todo o momento portanto importante que o rastreamento do MPP seja realizado constantemente e com respostas r pidas Foi realizado um breve comparativo dos conversores c c c c cl ssicos n o isolados O conversor de pot ncia uma parte fundamental para a obten o da m xima energia retirada do painel fotovoltaico Conversores de baixo rendimento devem ser evitados promovendo assim a economia desta energia que depende de fatores ambientais e n o constante to
90. u crescimento acad mico profissional e pessoal Agrade o ainda a todos os professores do grupo de Eletr nica de Pot ncia em especial Severo e Lenin pela contribui o significativa no meu aprendizado Ao Gerente do SENAI Cetel Enio de Oliveira por abrir as portas da unidade aceitando a minha transfer ncia oportunizando assim a conviv ncia com seres humanos espetaculares Aos colegas e amigos do SENAI Cetel em especial Jackson Douglas Emanuell J lio Tigr o um abra o do Tigrinho por tornarem a minha temporada em Belo Horizonte mais leve e amena Meus amigos quanta saudade Aos alunos do CETEL pela compreens o nos momentos impaci ncia e nervosismo Ao amigo e companheiro Gabriel Silva Ribeiro pela ajuda e conselhos nos momentos dif ceis e turbulentos Ao amigo e colega Alex Sander Mikey que me recebeu t o bem quando tive necessidade de ficar em BH nos curtos per odos A professora de ingl s da Unimontes e IFNMG Ana Paula Ferreira que prontamente me ajudou quando precisei Aos colegas da Escola T cnica que me receberam de bra os abertos quando retornei a Montes Claros bom saber que sempre posso contar com voc s Aos meus irm os Marcelo Pablo e Matheus Felipe pelo companheirismo apoio e incentivo Exemplos de supera o e conquistas A minha m e Maria Ilma Borges Lopes pela ajuda e motiva o Muito obrigado por me ensinar que com f em Deus tudo posso Ao meu pai Jo
91. uest es que norteiam a humanidade objetivando pesquisas e debates voltados para efici ncia energ tica meios de gera o de energia com menos impacto ambiental e principalmente a sustentabilidade Isso influencia o modo como a energia ser produzida transmitida e consumida Essa influ ncia trouxe novos conceitos para o sistema el trico tal como as nano e microrredes ou smartgrids Esses sistemas possuem interface inteligente de eletr nica de pot ncia com capacidade de gerenciamento desconex o e ressincroniza o com a rede el trica local Segundo 1 atualmente mais de 80 do consumo de energia el trica depende de fontes de energia como carv o petr leo g s natural e outras fontes de energias f sseis O consumo de energia el trica tem sido cada vez maior nos ltimos anos 2 sendo que o aumento desta demanda por energia el trica n o poder ser atendido por essas fontes Restri es ambientais sobre emiss es de gases do efeito estufa impostas sobre as na es de modo a combater o aquecimento global e reduzir a polui o atmosf rica impedem a expans o generalizada das mesmas 3 Ent o torna se necess rio o aumento de gera o de energia que normalmente feita atrav s de combust veis f sseis em alguns pa ses e que est o cada vez mais escassas No entanto h outras fontes de gera o de energia como a e lica solar biomassa geot rmica biocombust vel hidroel trica 15 atrav s de usinas m
92. uindo a vida til Se a tens o da bateria for igual ou maior do que 10 5V o compensador dever mudar a refer ncia da corrente de carga para o valor de 30 a 40 da CAh ou seja o sistema entrar no est gio de carga r pida no modo de MPPT Assim que a bateria retornar tens o nominal de 13 8V a carga ser religada ao barramento c c Imax Vbat Tens o na bateria J 10 Ed Corrente de carga p B oo 15 2 P Tempo s FIGURA 4 3 Simula o do sistema de carga da bateria chumbo acido com pertubar o O sistema proposto para este trabalho dever limitar a m xima tens o de sa da do conversor conforme ser visto posteriormente Atrav s de um pino dedicado de entrada do controlador digital ou do barramento I2C poss vel controlar a m xima corrente de carga pelo valor de tens o aplicado nesta entrada anal gica ou pelos dados de acesso dos registros enviados pelo barramento 12C Ser utilizado um microcontrolador para monitorar a tens o da bateria e um circuito l gico com amplificadores operacionais a fim de controlar a tens o nesta entrada 63 A Tabela V apresenta os modos de opera o do conversor com respectivos estados das chaves Tabela V Modos de opera o do conversor de quatro chaves Modo de opera o Q1 Q2 Q4 Q3 Buck D1 1 D1 1 0 Boost 1 0 1 D2 D2 Buck Boost D1 1 D1 1 D2 D2 4 1 2 Controle MPPT do Buck Boost a quatro chaves O diagrama de blocos da Figura 4 4 mostra u
93. ver ser conhecido como mostra a Figura 2 5 Segundo 14 esse m todo apresenta algumas desvantagens como o fato de que tempo em tempo o painel dever ser desconectado do conversor para fazer a aquisi o da tens o de circuito aberto do mesmo No entanto a pior desvantagem que o sistema apresenta erro em regime estacion rio visto que a rela o da tens o de circuito aberto Vopen a tens o maxima n o s o constantes Ainda na Figura 2 5 pode se observar que a tens o de refer ncia a tens o amostrada do painel em circuito aberto multiplicada pela constante de 0 78 Este valor estimado da tens o de circuito aberto 78 do valor medido ser considerado como tens o no ponto de m xima PWM 0 78 Vref z Compensador ii Anal gico ou Digital pot ncia Vmpp Vpv t FIGURA 2 5 M todo da Tensao Constante CV De acordo com 14 o m todo P amp O consiste em perturbar a tens o do painel fotovoltaico em uma dada dire o e observar a resposta do comportamento da pot ncia de sa da Segundo 13 o m todo perturba e observa opera 27 incrementando ou decrementando a tensao de saida do painel fotovoltaico com a finalidade de comparar a pot ncia atual com a anterior De acordo com 15 o m todo P amp O muito utilizado comercialmente devido a simples implementa o pr tica por m apresenta algumas desvantagens De acordo com 16 uma desvantagem deste em rela o ao m todo de Condut ncia Incremental
94. ver abaixo da tens o de corte o conversor ser controlado em Modo de Controle de Tens o com Limita o de Corrente MTCLC para impor a carga lenta com corrente de refer ncia especificada pelo fabricante da bateria tipicamente de 1 a 10 do valor da corrente nominal e 2 Est gio Carga r pida para quando a tens o da bateria estiver acima da tens o de corte e abaixo da tens o m xima o conversor ser controlado em modo MPPT para a m xima carga admitindo se que os pain is foram dimensionados para fonecerem no m ximo a corrente de carga r pida e 3 Est gio Sobrecarga para quando a tens o m xima na bateria tiver sido atingida o conversor operar em Modo de Controle de Tens o 57 MCT impondo a tensao maxima da bateria como refer ncia at que a corrente da bateria decres a ao valor m nimo de refer ncia e 4 Est gio Ap s a corrente de carga no 3 est gio atingir o valor m nimo estabelecido o carregador entra em modo de flutua o na qual uma tens o de refer ncia especificada para a bateria ser menor do que a tens o m xima adotada como refer ncia e o controlador opera em Modo de Controle de Tens o MCT com esta nova refer ncia 4 1 1 Controle em Modo de Tens o do Buck Boost a quatro chaves com e sem Limita o de Corrente O controle em modo de tens o visa impor a tens o na sa da do conversor impondo diretamente a raz o c clica da chave a partir de uma lei de controle realim

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