211038

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

Setor de Tecnologia

Faculdade de Engenharia

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost Atuando como Controlador de Carga de

Baterias em um Sistema Fotovoltaico

Juiz de Fora, MG Brasil

Novembro de 2004

Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost atuando como Controlador de Carga de Baterias em um Sistema Fotovoltaico

Ricardo Henrique Rosemback

Dissertao submetida ao corpo docente da Coordenao do Programa de Ps-Graduao

em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Juiz de Fora como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias em Engenharia Eltrica.

Aprovada por:

_______________________________________

Prof. Pedro Gomes Barbosa, D. Sc.

(Orientador)

_______________________________________

Prof. Marcio de Pinho Vinagre, Dr. Eng.

_______________________________________

Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.

Juiz de Fora, MG Brasil

Novembro de 2004

Todo caminho que trilhamos pela primeira vez muito mais longo e difcil do que o mesmo

caminho quando j o conhecemos.

Thomas Mann

iii

Resumo da Dissertao apresentada ao PPEE/UFJF como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica (M.E.E.)

CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL BUCK-BOOST ATUANDO COMO

CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA EM UM SISTEMA

FOTOVOLTAICO


Novembro de 2004

Orientador: Prof. Pedro Gomes Barbosa

Programa: Engenharia Eltrica

rea de Concentrao: Instrumentao e Controle

Este trabalho apresenta o projeto de um Controlador de Carga de Baterias para

ser usado em sistemas de gerao de energia eltrica fotovoltaicos. As baterias

eletroqumicas so usadas para armazenar o excedente de energia eltrica convertida nos

painis fotovoltaicos e no consumida pelas cargas. Para garantir o carregamento

completo e seguro das baterias o processo de carga divido em quatro etapas: (i) carga

leve, (ii) carga rpida, (iii) sobrecarga e (iv) carga de flutuao. O controlador de carga de

baterias desenvolvido neste trabalho um Conversor CC-CC Bidirecional com duas

etapas de funcionamento distintas: uma Buck e outra Boost. Durante a Etapa Buck a

bateria carregada enquanto que a Etapa Boost usada durante o processo de descarga.

Sero apresentadas metodologias para modelar matematicamente e para linear as Etapas

Buck e Boost do Conversor CC-CC Bidirecional. As funes de transferncia obtidas

sero usadas para analisar a estabilidade de pequenos sinais do conversor e projetar

controles para a tenso e/ou a corrente de carga e de descarga de um banco de bateria.

Resultados de simulaes digitais obtidas com o programa PSpice, bem como alguns

resultados experimentais obtidos com um prottipo de laboratrio so usados para testar

o desempenho do conversor e seus controles.

iv

Abstract of Dissertation presented to PPEE/UFJF as a partial fulfillment of the requirements for a Master of Electrical Engineering (M.E.E.)

OPERATION OF A BUCK-BOOST CONVERTER AS BATTERY CHARGE

CONTROLLER CONNECTED TO A PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM


November 2004

Advisor: Prof. Pedro Gomes Barbosa

Program: Electrical Engineering

Minor Area: Instrumentation and Control

This work presents the design of a battery charge controller to be used in

photovoltaic electric energy generation systems. The electrochemical batteries are used

to store the amount of electrical energy converted by the photovoltaic panels and not

consumed by the loads. The full and safe charging process of the batteries are divided

in four stages: (i) trickle charge, (ii) bulk charge, (iii) over charge and (iv) float charge.

The charge controller developed in this work is a bidirectional DC-DC converter with

two operational stages: one buck and the other boost. During the buck operation the

battery is charged while the boost stage is used to discharge it. Methodologies to model

mathematically and to linearize the buck and the boost stages of the bidirectional DC-

DC converter will be presented. The obtained transfer functions are used to analyze

the small signal stability of the converter and to design controllers to control the

voltage and/or current of the battery during the charge and the discharge stages. Digital

simulation results obtained with PSpice program as well as some experimental results

obtained with a laboratory prototype are used to test the performance of the converter

and its controllers.

Sumrio

Simbologia ........................................................................................................... ix

Captulo 1 Introduo

1.1 Histrico ......................................................................................................... 1

1.2 Identificao do Problema ............................................................................. 3

1.3 Motivao do Estudo ..................................................................................... 4

1.4 Objetivos do Trabalho ................................................................................... 5

1.5 Estrutura do Trabalho .................................................................................... 6

Captulo 2 Elementos de um Sistema de Gerao de Energia Eltrica

Fotovoltaico

2.1 Introduo ...................................................................................................... 7

2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos ........................................ 8

2.2.1 O Painel Fotovoltaico ............................................................................. 10

2.2.2 Conversores Estticos ............................................................................ 16

2.2.2.1 Conversores Estticos CC-CC ..................................................................... 17

2.2.2.2 Conversores Estticos CC-CA ..................................................................... 20

2.2.3 Elemento de armazenamento de Energia: Baterias .............................. 21

2.2.3.1 Bateria Chumbo-cido ................................................................................... 22

2.2.3.2 Bateria Nquel-cdmio ................................................................................... 26

2.2.4 Elemento de Regulao de Carga de Baterias ...................................... 26

2.2.4.1 Processo de Carga .......................................................................................... 28

2.2.4.2 Compensador de Temperatura .................................................................... 30

2.2.4.3 Desconexo por Baixa Tenso ..................................................................... 31

Sumrio vi

2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa ..................................................................... 31

2.3 Topologias Bsicas de Sistemas de Gerao Baseado em Painis Fotovoltaicos .......................................................................................................

31

2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados ............................................................ 32

2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC ................................................................ 32

2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC ...................... 33

2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico e Carga CA ................................................................ 33

2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA ...................... 34

2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA ..................................... 34

2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA ................. 35

2.3.1.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte Conectados a Rede CA ......... 35

2.4 Concluses Parciais ....................................................................................... 36

Captulo 3 Controlador de carga de Baterias Baseado no Conversor CC-CC

Bidirecional Buck-Boost

3.1 Introduo ...................................................................................................... 37

3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico ............................................................... 38

3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ................................................. 39

3.3.1 Etapa Buck ............................................................................................. 40

3.3.2 Etapa Boost ............................................................................................ 43

3.4 Estratgia de Controle do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ....... 45

3.5 Projeto das Malhas de Realimentao de Controle do Conversor CC-CC Bidirecional .......................................................................................................

52

3.5.1 Linearizao do Estgio de Potncia do Conversor CC-CC Bidirecional .........................................................................................................

53

3.4.1.1 Modelo Dinmico da Etapa Buck ................................................................ 56

3.4.1.2 Modelo Dinmico da Etapa Boost ................................................................ 60

3.5.2 Malha de Realimentao de Controle de Tenso .................................. 64

Sumrio vii

3.5.2.1 Controlador Tipo 1 ........................................................................................ 68



3.5.3 Metodologia de Projeto de Controladores Baseado no Fator K ............ 72

3.5.3.1 Algoritmo de Projeto do Controlador ........................................................ 75

3.5.4 Malha de Realimentao de Controle de Corrente ................................ 76


Captulo 4 Projeto e Simulao do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-

Boost

4.1 Introduo ...................................................................................................... 79

4.2 Dimensionamento dos Elementos do Sistema ............................................. 80

4.2.1 Arranjo Fotovoltaico ............................................................................... 80

4.2.2 Conversor CC-CC Boost ........................................................................ 81

4.2.3 Banco de Baterias ................................................................................... 86

4.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost ................................................. 87

4.3.1 Malha de Controle de Tenso Etapa Boost ........................................... 89

4.3.2 Malha de Controle de Tenso Etapa Buck ............................................ 92

4.3.3 Malha de Controle de Corrente Etapa Buck .......................................... 95

4.4 Resultados Obtidos na Simulao ................................................................. 97

4.4.1 Comportamento da Etapa Buck ............................................................ 98

4.4.2 Comportamento da Etapa Boost ........................................................... 100

4.5 Prottipo do Conversor CC-CC Bidirecional ................................................ 101

4.5.1 Chaves Estticas ..................................................................................... 102

4.5.2 Circuito de Controle ............................................................................... 103

4.5.3 Circuito de Disparo ................................................................................ 103

Sumrio viii

4.5.4 Sensores de Tenso e Corrente .............................................................. 104

4.5.5 Sensor de Temperatura .......................................................................... 104

4.6 Resultados da Implementao do Prottipo ................................................. 104


Captulo 5 Concluses e Recomendaes para Trabalhos Futuros

5.1 Concluses .................................................................................................... 108

5.2 Recomendaes para Trabalhos Futuros ...................................................... 110

Referncias Bibliogrficas ................................................................................... 111

Apndice A Projeto Fsico Indutor ................................................................... 116

Apndice B Listagem dos Arquivos de Simulao no PSpice ......................... 120

Simbologia 1. Smbolos empregados nas expresses matemticas

SMBOLO DESCRIO UNIDADE

aBT Coeficiente de temperatura da bateria Chumbo-cido V/C

aT Coeficiente da temperatura de ISC para o painel fotovoltaico A/C

b T Coeficiente de temperatura de VOC para o painel fotovoltaico V/C

C Capacidade da bateria Ah

DI Variao da corrente A

DV Variao da tenso V

C Capacidade da bateria Ah

d Razo cclica

D Razo cclica no estado permanente CC

fS Freqncia de chaveamento dos conversores estticos Hz

G Insolao W/m2

GSTC Insolao nas Condies de Teste Padro W/m2

iBB(t) Corrente fornecida pelo banco de baterias A

IBB Valor mdio da corrente iBB(t) A

IBULK Corrente de carga da bateria durante o segundo estgio do processo de carga

A

ID Corrente sobre o diodo do modelo eltrico do painel fotovoltaico

A

IFV Corrente fornecida pela fonte de corrente no modelo eltrico do painel fotovoltaico

A

IMP Corrente no ponto de mxima potncia do painel fotovoltaico A

IOCT Valor de corrente que indica que a bateria alcanou sua carga completa

A

Simbologia

x

IP Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico A

IPN Corrente fornecida pelo painel fotovoltaico para um determinado valor de insolao e temperatura

A

ISC Corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico A

ITC Corrente de carga da bateria durante o primeiro estgio do processo de carga

A

NE Nmero de elementos que compe a bateria

NOCT Temperatura normal de operao da clula fotovoltaica C

P0 Potncia mdia de sada do conversor CC-CC esttico W

pBoost(t) Potncia instantnea fornecida pelo conversor CC-CC Boost W

pCarga(t) Potncia instantnea fornecida consumida pela carga W

P i Potncia mdia de entrada do conversor CC-CC esttico W

PMP Potncia mxima fornecida pelo painel para um determinado nvel de insolao e temperatura

W

pPainel(t) Potncia instantnea fornecida pelo arranjo fotovoltaico W

RP Resistncia em paralelo do modelo do painel fotovoltaico W

RS Resistncia srie do modelo do painel fotovoltaico W

SOC(t) Estado de Carga do banco de baterias

SOCmin Estado de Carga mnimo admissvel

SOCmax Estado de Carga mximo admissvel

Ta Temperatura ambiente C

Ta,ref Temperatura ambiente de referencia C

TC Temperatura da clula fotovoltaica C

TS Perodo de chaveamento dos converso res estticos s

TSTC Temperatura nas Condies de Teste Padro C

VB(T) Tenso na bateria em funo da temperatura V

vBB(t) Tenso do banco de baterias V

VBB Tenso nominal do banco de baterias V

Simbologia

xi

VBBmax Valor de tenso correspondente ao SOCmax V

VBBmin Valor de tenso correspondente ao SOCmin V

VCC Tenso nominal do barramento CC V

MAXCCV Tenso mxima admissvel no barramento CC V

MINCCV Tenso mnima admissvel no barramento CC V

vCC(t) Tenso no barramento CC V

VCHGEND Valor de tenso da bateria no limite da capacidade de descarga V

VE,25C Tenso de um elemento da bateria a 25C V

VFLOAT Valor de tenso que deve ser aplicado bateria durante o quarto estgio do processo de carga

V

VMP Tenso no ponto de mxima potncia do painel fotovoltaico V

VOC Tenso de circuito aberto do painel fotovoltaico V

VOC Valor mximo de sobrecarga de tenso que deve ser alcanado pela bateria

V

VP Tenso fornecida pelo arranjo fotovoltaico V

VPN Tenso fornecida pelo painel fotovoltaico para um determinado valor de insolao e temperatura

V

2. Acrnimos e abreviaturas

SMBOLO SIGNIFICADO

CA Corrente alternada

CC Corrente contnua

FTMA Funo de transferncia de malha aberta

FTMF Funo de transferencia de malha fechadas

PWM Modulao por largura de pulso

1

Captulo 1

Introduo

1.1 Histrico

A busca pela dominao de fontes de energia pelo homem comeou em torno

de 500.000 anos atrs, quando o homem primitivo passou a controlar o fogo,

aproveitando dessa forma de energia para aquec-lo, afastar predadores e preparar

alimentos. Desde ento o homem foi descobrindo novas fontes e formas de energia e

criando dispositivos para utiliz-las a seu favor. As fontes de energia passaram a ser

vital para sobrevivncia e evoluo do homem. Portanto, devido a grande importncia

da energia para a humanidade nos dias de hoje, so incessantes as pesquisas que visam

o desenvolvimento e aprimoramento de tcnicas de obteno de energia, com o

objetivo principal de conciliar grande capacidade de gerao, baixo custo e um mnimo

impacto ao meio ambiente.

O Sol a mais importante fonte de energia do nosso planeta. Ele fornece

1,5x1018 kWh de energia anualmente a Terra nas formas de luz e calor, energia

correspondente a 10.000 vezes o consumo mundial no mesmo perodo. E ainda, o Sol

uma fonte de energia inesgotvel na escala terrestre de tempo [1].

CAPTULO 1- INTRODUO 2

A forma de energia mais importante atualmente a eltrica que pode ser

transportada ininterruptamente por longas distncias, distribuda a diversos pontos

simultaneamente e convertida nas mais diversas formas de energia como luminosa,

mecnica, qumica e trmica.

O Efeito Fotovoltaico que transforma diretamente a energia luminosa solar em

corrente eltrica concilia a mais importante fonte, o Sol, com a principal forma de

energia, a eltrica. Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o Efeito Fotovoltaico

pode ser explicado sucintamente como o aparecimento de uma diferena de potencial

nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absoro da

luz. Essas estruturas de material semicondutor so denominadas de Clulas

Fotovoltaicas [2].

As Clulas Fotovoltaicas so as unidades bsicas de gerao de energia, elas

podem ser conectadas entre si, formando os painis fotovoltaicos, que so os

dispositivos utilizados na prtica para gerao de energia. As primeiras aplicaes

desses dispositivos foram para atender a necessidade de gerao de energia no espao

em satlites artificiais, sondas, naves e estaes espaciais. Com a queda progressiva no

custo de produo dos painis seu emprego estendeu-se a aplicaes terrestres,

inicialmente em locais isolados distantes da rede eltrica [1], [2].

Atualmente utiliza-se a energia fotovoltaica nas mais diversas reas com o

objetivo de gerao de energia eltrica aliada as seguintes vantagens: simplicidade de

instalao, facilidade de expanso, elevado grau de confiabilidade do sistema, reduo

das perdas por transmisso de energia devido proximidade entre gerao e consumo

e pouca necessidade de manuteno. Alm disso, os sistemas fotovolt aicos so fontes

silenciosas e no poluentes de gerao de energia eltrica [3].

O custo da produo de energia eltrica atravs de painis fotovoltaicos ainda

elevado em comparao a outros mtodos de gerao de energia eltrica o que

inviabiliza muitas vezes a sua aplicao. Contudo, h uma grande expectativa da


difuso do uso de sistemas fotovoltaicos nos prximos anos, principalmente pelo

esgotamento das fontes primrias de energia e o grande impacto ambiental causado

pelas usinas tradicionais de gerao de energia como a hidroeltrica e as termoeltricas

[4].

Alm do desenvolvimento de painis mais eficientes a um custo menor, um

sistema de gerao de energia fotovoltaica para tornar-se mais difundido depende

tambm do desenvolvimento de equipamentos complementares que tornem os

sistemas mais versteis, ou seja adaptando-os as mais diversas aplicaes, e eficientes,

aproveitando melhor a energia gerada pelos painis [5].

1.2 Identificao do Problema

A produo de energia atravs de painis fotovoltaicos depende, principalmente,

do nvel de insolao incidente sobre eles. Como o recurso energtico solar apresenta

grande variabilidade devido alternncia de dias e noites, das estaes do ano e

perodos de passagem de nuvens, a produo de energia apresentar tambm uma

grande variao de acordo com a insolao, ou seja, nos perodos de grande insolao

haver grande produo de energia, nos perodos de baixa insolao haver pouca

produo de energia e nos perodos sem insolao no haver produo de energ ia.

Dessa forma, a quantidade de energia gerada pelos painis, em grande parte das

aplicaes, no coincidir com a quantidade de energia requerida pelas cargas eltricas

da instalao, tendo-se que descartar o excedente de energia gerado em determinados

momentos e em outros, requerer energia de uma outra fonte.

Uma forma de solucionar este problema o armazenamento do excedente de

energia gerado pelos painis em banco de baterias eletroqumicas, transformando

energia eltrica em energia potencial qumica. A energia qumica armazenada poder

ser utilizada posteriormente, na forma de energia eltrica, quando a energia requerida

pelas cargas eltricas da instalao for superior a energia gerada pelos painis.


Porm as baterias eletroqumicas so equipamentos que elevam o custo de

implementao do sistema fotovoltaico e podem ser danificadas prematuramente caso

no sejam respeitadas suas especificaes de uso, principalmente no se refere aos

processos de carga e descarga. Assim, para evitar que as mesmas sejam danificadas

precocemente, as baterias necessitam de um equipamento destinado ao seu

monitoramento durante os processos de carga e de descarga. Este equipamento

denominado por Controlador de Carga de Bateria [6].

O Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico deve, alm de

proteger as baterias, providenciar o carregamento completo da bateria, dentro de suas

especificaes, em um perodo de tempo o mais curto possvel. O Controlador deve

tambm providenciar e gerenciar o retorno da energia armazenada para o sistema

eltrico quando for necessrio. Dessa forma importante que o Controlador de Carga

de Bateria receba informaes constantes do sistema para gerenciar com mais

eficincia o fluxo de energia que entra e sai do banco de baterias.

Para executar tais tarefas os controladores necessitam basicamente de dois

circuitos, um circuito de controle e um circuito de comutao. O circuito de controle

monitora grandezas do sistema, como a tenso, a corrente e a temperatura na bateria,

processa essas informaes e gera os sinais de controle que comandar o circuito de

comutao. J o circuito de comutao composto por chaves que comutam as

ligaes de acordo com as condies e as necessidades do sistema.

1.3 Motivao do Estudo

A principal motivao deste trabalho o desenvolvimento de um Conversor CC-

CC Bidirecional Buck-Boost que atuar em um sistema fotovoltaico como Controlador

de Carga de Bateria. O Conversor CC-CC Bidirecional ir promover a ligao entre o

barramento de corrente contnua e o banco de baterias eletroqumicas do sistema

fotovoltaico. Sua funo ser de promover o controle de carga de baterias chumbo-


cido. O processo de carga da bateria dividido em quatro estgios para garantir o

carregamento completo, rpido e seguro. Para executar com preciso o processo de

carga, o circuito de controle do conversor monitora a tenso, a corrente e a

temperatura na bateria. Processa essas informaes e gera os sinais de controle que

iro atuar nas chaves do circuito de comutao. Os parmetros de controle devem ser

ajustados de acordo com as especificaes do fabricante da bateria utilizada no

sistema.

1.4 Objetivos do Trabalho

No desenvolvimento deste trabalho, que envolve um controlador de carga de

bateria baseado na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost, foram

selecionados os seguintes objetivos para serem estudados:

i. descrever os principais elementos que compem um sistema fotovoltaico

dando-se nfase s baterias chumbo-cido utilizadas para o armazenamento

de energia eltrica;

ii. descrever o circuito principal do Conversor CC-CC Bidirecional para ser usado

como Controlador de Carga de Baterias;

iii. apresentar uma estratgia de controle para o gerenciamento do fluxo de

energia dentro do sistema, bem como o processo de carga do banco de

baterias;

iv. apresentar um modelo matemtico, linearizado, para as etapas de operao do

Conversor CC-CC Bidirecional, obtendo-se as funes de transferncias para

auxiliar o projeto das malhas de controle;

v. descrever as metodologias de projeto das malhas de realimentao de controle


adotadas no Conversor CC-CC Bidirecional;

vi. verificar a dinmica das malhas de controle do conversor atravs de

simulaes no Pspice;

vii. descrever as etapas para implementao da topologia estudada para

observao do seu funcionamento;

1.5 Estrutura do Trabalho

O desenvolvimento desse trabalho que aborda o Conversor CC-CC Bidirecional,

que atua como Controlador de Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico, est

dividida em captulos conforme sumarizados a seguir:

O Captulo 2 faz referncia aos sistemas fotovoltaicos, abordando o

funcionamento e as caractersticas das clulas fotovoltaicas, os principais equipamentos

que compem o sistema e as topologias mais usuais.

O Captulo 3 enfoca as caractersticas, o funcionamento e o equacionamento do

Conversor Bidirecional CC-CC que ser desenvolvido para atuar como Controlador de

Carga de Bateria em um sistema fotovoltaico.

O Captulo 4 descreve as etapas para implementao do prottipo como:

dimensionamento dos componentes, montagem do equipamento e verificao do seu

funcionamento.

O Captulo 5 relata os resultados e as concluses alcanadas no desenvolvimento

do trabalho, tambm so propostas sugestes para trabalhos futuros com objetivo de

aperfeioamento do equipamento desenvolvido.

7

Captulo 2

Elementos de um Sistema de

Gerao de Energia Eltrica

Fotovoltaico

2.1 Introduo

Sistemas Fotovoltaicos de gerao de energia so sistemas que atravs de clulas

fotovoltaicas converte a energia luminosa diretamente em energia eltrica. As clulas

so conectadas entre si formando os painis fotovoltaicos, que so os componentes

que caracterizam o sistema. Alm dos painis, outros equipamentos podem fazer parte

do sistema, como conversores estticos, baterias eletroqumicas e controladores de

carga de bateria [1].

Entre as vantagens associadas aos sistemas fotovoltaicos, destaca-se sua

versatilidade, o que permite projet-los para diversas aplicaes. Sua topologia

definida levando-se em considerao muitos fatores com: localizao geogrfica,

condies climticas, isolado ou conectado a rede de fornecimento de energia da

concessionria, caractersticas eltricas das cargas alimentadas pelo sistema e sua

CAPTULO 2- ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA FOTOVOLTAICO 8

aplicao [7].

Outras vantagens dos sistemas fotovoltaicos so a grande durabilidade dos

painis e a sua modularidade. Esta ltima caracterstica facilita o transporte, a

instalao e a ampliao dos sistemas fotovoltaicos. E ainda, por no possuir peas

mveis os sistemas fotovoltaicos requerem pouca manuteno [1].

Sob os aspectos relacionados ao meio ambiente, a gerao de energia pelos

sistemas fotovoltaicos no emite nenhum tipo de resduo ao meio ambiente alm de

serem fontes silenciosas. Isto permite sua instalao perto dos consumidores de

energia, que por sua vez contribui para a reduo das perdas na transmisso da energia

eltrica gerada.

A reduo progressiva no custo de fabricao dos painis fotovoltaicos, somado

as suas vantagens, e ainda, a saturao, o impacto ao meio-ambiente e o aumento

progressivo no preo da energia gerada pelas fontes tradicionais como combustveis

fosseis e hidreltrica tem contribudo para o aumento progressivo do emprego de

sistemas fotovoltaicos na gerao de energia eltrica [5].

Conhecer as principais caractersticas de um sistema fotovoltaico um dos

requisitos bsico para o desenvolvimento de trabalhos que busquem o aprimoramento

do seu funcionamento e de seus componentes. Este captulo apresenta os principais

equipamentos que compem o sistema e as topologias mais usuais.

2.2 Principais Elementos dos Sistemas Fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos so bastante flexveis, podendo admitir muitas

topologias de acordo com a aplicao. Os principais elementos que podem fazer parte

do projeto de um sistema fotovoltaico de gerao de energia, alm dos painis, so: (i)

conversores estticos cuja finalidade adequar a potncia eltrica de sada dos painis


natureza das cargas alimentadas, (ii) baterias eletroqumicas cuja tarefa armazenar

energia e (iii) controlador de carga de baterias que providencia o carregamento seguro

da energia excedente nas baterias para seu uso posterior [1].

A Figura 2.1 mostra o esquema de um sistema fotovoltaico composto por todos

os elementos citados. Essa topologia composta por dois barramentos, um

barramento de tenso contnua, denominado de barramento CC e um barramento de

tenso alternada, denominado barramento CA. A energia gerada pelos painis

transferida para o barramento CC atravs dos conversores estticos CC-CC que

mantm a tenso do barramento em um valor desejado. O banco de baterias est

conectado ao barramento CC atravs do Controlador de Carga de Bateria. Um

conversor esttico CC-CA, que pode ser trifsico ou monofsico, transfere a energia

disponvel no barramento CC para o barramento CA onde esto conectadas as cargas

do sistema. O barramento CA pode ser tambm conectado a rede de energia da

concessionria, desde que a legislao local permita e que a qualidade de energia no

barramento CA esteja dentro das normas estabelecidas pela concessionria [1], [8].

Figura 2.1 Diagrama de conexo de um sistema fotovoltaico de gerao de energia

eltrica.


Nas sees seguintes so detalhados mais especificamente cada uma das partes

do sistema mostrado na Figura 2.1.

2.2.1 O Painel Fotovoltaico

O painel fotovoltaico o responsvel por transformar a energia luminosa solar

em corrente eltrica. Ele formado por clulas individuais conectadas entre si. Cada

clula fotovoltaica isoladamente tem capacidade limitada de produo de energia

eltrica e fornece um baixo nvel de tenso. Portanto para atender a demanda de

energia de grande parte dos equipamentos eltricos h necessidade de se associar

vrias clulas, atravs de ligaes srie e paralelo, formando-se assim os painis

fotovoltaicos. Os painis fotovoltaicos podem, tambm, ser conectados entre si,

formando-se os arranjos fotovoltaicos. Isso possibilita projeto de sistemas de grande

capacidade de gerao de energia el trica [1], [2].

As clulas fotovoltaicas so constitudas por materiais semicondutores. Os

materiais classificados como semicondutores caracterizam-se por possurem uma

banda de valncia totalmente preenchida por eltrons e uma banda de conduo

totalmente vazia a temperaturas prximas de zero Kelvin. A separao entre as duas

bandas de energia permitida dos semicondutores, chamada de gap de energia, da

ordem de 1eV (eltron-volt). Isso faz com que os semicondutores apresentem

caractersticas interessantes. Uma delas o aumento de sua condutividade com a

temperatura, devido excitao trmica de portadores da banda de valncia para a

banda de conduo. Uma caracterstica fundamental para as clulas fotovoltaicas

possibilidade de ftons, na faixa do espectro visvel, com energia superior ao do gap de

energia do material, excitarem eltrons banda de conduo. Este efeito, que pode ser

observado em semicondutores puros, tambm chamado intrnsecos, no garante por

si s o funcionamento de clulas fotovoltaicas. Para obt-las necessrio uma estrutura

apropriada, para que os eltrons excitados possam ser coletados, gerando uma

corrente til [1].


O elemento mais utilizado atualmente na fabricao das clulas fotovoltaicas o

Silcio [4]. Os tomos de Silcio caracterizam por possurem quatro eltrons de ligao

que se ligam aos vizinhos formando uma rede cristalina. O cristal de Silcio puro no

possui eltrons livres, portanto um mal condutor eltrico. Para alterar isto,

acrescentam-se porcentagens de outros elementos a sua estrutura molecular, este

processo denomina-se dopagem.

Mediante a dopagem do Silcio com elementos da famlia V da tabela peridica,

como o Fsforo, que contm 5 eltrons na ltima camada, obtm-se um material com

eltrons livres ou material portador de cargas negativas denominado de Silcio tipo n.

Realizando o mesmo processo, mas acrescentando elementos da famlia III, como o

Boro, que contm 3 eltrons de ligao, estrutura do material, obtm-se um material

com caractersticas inversas, ou seja, dficit de eltrons ou material portador de carga

positiva, denominado de Silcio tipo p. Esta falta de eltrons e denominada de buraco

ou lacuna.

Em um cristal de Silcio puro, introduzindo-se tomos de Boro em uma metade e

de Fsforo na outra, ser formado o que se denomina juno pn. Na juno os

eltrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram as lacunas que os capturam.

Isso faz com que haja um acmulo de eltrons no lado p, tornando-o negativamente

carregado e uma reduo de eltrons no lado n, que o torna eletricamente positivo.

Estas cargas aprisionadas do origem a um campo eltrico permanente que dificulta a

passagem de mais eltrons do lado n para o lado p. O processo alcana o equilbrio

quando o campo eltrico forma uma barreira capaz de barrar os eltrons livres

remanescentes no lado n. A Figura 2.2(a) ilustra o comportamento das cargas eltricas

atravs da juno pn e a Figura 2.2(b) mostra o comportamento do campo eltrico

sobre a juno pn.


Figura 2.2 Juno semicondutora: (a) regio do cristal onde ocorre o acumulo de cargas e

(b) campo eltrico resultante da transferncia de cargas atravs da juno pn.

Se esta juno pn, mostrada esquematicamente na Figura 2.2 (a), for exposta a

ftons com energia superior aquela presente no gap do dispositivo ocorrer a gerao

de pares eltron-lacuna nessa regio. Se este fenmeno ocorrer na regio onde o

campo eltrico diferente de zero, as cargas sero aceleradas, gerando assim, uma

corrente eltrica atravs da juno. Este deslocamento de cargas d origem a uma

diferena de potencial que chamada de efeito fotovoltaico. Ento se as duas

extremidades do cristal forem conectadas por um fio, haver circulao de uma

corrente eltrica unidirecional [1].

O modelo eltrico que representa um painel fotovoltaico ideal mostrado na

Figura 2.3(a), onde a corrente IP fornecida pelo painel a uma carga, equivalente

associao de uma fonte de corrente contnua IFV em paralelo com um diodo. Onde o

mdulo de IFV proporcional ao nvel de insolao G que incide sobre a clula e o

comportamento da corrente pela juno pn representado pela corrente do diodo ID.

O desempenho de um painel real difere do ideal por apresentar alguns fatores de

perdas. Estas perdas so representadas pelas resistncias em srie e em paralelo

inseridas no modelo ideal. A resistncia em srie se deve a resistividade do corpo

material, a resistncia da lmina da camada difundida e a resistncia dos contatos

metlicos. A resistncia em paralelo se deve aos defeitos da juno que ocasionam

correntes de perdas ao longo da juno [2]. A Figura 2.3(b) apresenta o circuito

equivalente de um painel real onde RS representa a resistncia em srie e RP a


resistncia em paralelo.

Figura 2.3 Circuito equivalente do painel fotovoltaico conectado a uma carga: (a) modelo

ideal e (b) modelo real.

A Figura 2.4 mostra a curva caracterstica genrica da corrente IP em relao a

variao da tenso VP em um painel fotovoltaico. Nessa figura, ISC a corrente de

curto-circuito e representa a mxima corrente que o dispositivo pode entregar sob

determinadas condies de radiao e temperatura com tenso nula; VOC a tenso

de circuito aberto e representa a mxima tenso que o dispositivo pode entregar sob

determinadas condies de radiao e temperatura com corrente nula; PMP o ponto

de mxima potncia e corresponde ao ponto da curva no qual o produto da tenso

pela corrente mximo; IMP a corrente relativa ao ponto de mxima potncia e que

utilizado para definir o valor da corrente nominal do dispositivo e VMP a tenso

relativa ao ponto da mxima potncia e que utilizado para definir o valor da tenso

nominal do dispositivo.

Figura 2.4 Curva caracterstica genrica de tenso por corrente de um painel fotovoltaico.


Do modelo mostrado na Figura 2.3, a corrente IP fornecida pelo painel a uma

carga pode ser equacionada em funo da sua tenso de sada VP conforme mostrado

a seguir [9].

)](1[ )1)((1 2--=

mPVK

SCP eKII (2.1

)

onde 01175,01 =K , mOCVK

K)(

42 = ,

( )( )OCMP VV

KKm

lnln 43= ,

-+=

SC

MPSC

IKIKI

K1

13

)1(ln e

+=

1

14

1ln

KK

K .

Contudo, (2.1) valida somente para as Condies de Teste Padro, STC (do

ingls Standard Test Conditions), onde o nvel de insolao GSTC = 1000W/m2 e a

temperatura TSTC = 25C.

A potncia produzida pelo painel varia de acordo com a quantidade de energia

luminosa que incide sobre ele e a sua temperatura. Quando h variao no nvel de

insolao e na temperatura, os novos valores de corrente e tenso que caracterizam o

painel so dados respectivamente por:

III PPN D+= (2.2)

e, VVV PPN D+= , (2.3)

Onde as variaes da corrente (DI) e da tenso (DV) so dadas por:

( ) SCSTC

STCCSTC

T IGG

TTG

GI

-+-

a=D 1 (2.4)

e,


( ) IRTTV SSTCCT D--b-=D . (2.5)

onde bT o coeficiente de temperatura da tenso de circuito aberto, RS a resistncia

srie equivalente do painel e TC a temperatura da clula fotovoltaica dada por:

( )refaNOCT

aC TNOCTGGTT ,-+= . (2.6)

onde, Ta a temperatura ambiente em (C); NOCT a Temperatura Normal de

Operao da Clula fotovoltaica definida para as seguintes condies: nvel de

insolao GNOCT=800W/m2, temperatura ambiente de referncia Ta,ref=20C e

velocidade do vento de 1 m/s2. O valor da NOCT fornecido pelo fabricante do

painel.

A Figura 2.5(a) mostra a curva tenso versus corrente e a Figura 2.5(b) a curva

tenso versus potncia de um painel fotovoltaico modelado conforme descrito

anteriormente para diferentes nveis de insolao e uma temperatura ambiente fixa e

igual a 25C. A Figura 2.6(a) mostra a curva tenso versus corrente e a Figura 2.6(b) a

curva tenso versus potncia do painel fotovoltaico modelado para diferentes valores

de temperatura e para uma insolao constante de 1000W/m2. Os parmetros

utilizados nas equaes para adquirir estas s curvas caractersticas esto mostrados na

Tabela 2.1, estes parmetros pertencem folha de dados do painel BP SX120.

Tabela 2.1 Parmetros do Painel Fotovoltaico BP SX120 para STC.

PARMETROS SMBOLO VALOR Potncia mxima PMP 120W Corrente no ponto de mxima potncia IMP 3,56A Tenso no ponto de mxima potncia VMP 33,7V Corrente de curto-circuito ISC 3,87A Tenso de circuito aberto VOC 42.1V Coeficiente de temperatura da ISC aT 2,51mA/C Coeficiente de temperatura da VOC b T -160mV/C Temperatura normal de operao NOCT 47C


Figura 2.5 Curvas caractersticas do painel fotovoltaico, variao com a insolao: (a)

tenso x corrente e (b) tenso x potncia (os smbolos (* ) nas curvas indicam os pontos de mxima potncia).

Figura 2.6 Curvas caractersticas do painel fotovoltaico, variao com a temperatura: (a)

tenso x corrente e (b) tenso x potncia (os smbolos (* ) nas curvas indicam os pontos de mxima potncia).

2.2.2 Conversores Estticos

Os conversores estticos possuem a tarefa de adequar a potncia eltrica

disponvel em determinados pontos do sistema para uma outra forma estvel desejada.

Atravs de uma estratgia de comando para abertura e fechamento de suas chaves

semicondutoras de potncia os conversores estticos so capazes de elevar ou abaixar


um determinado nvel de tenso ou corrente contnua, transformar uma tenso

alternada em contnua ou uma tenso contnua em alternada com a amplitude e

freqncia desejadas.

Os conversores estticos podem operar no modo tenso ou no modo corrente.

No modo tenso a varivel de controle a tenso de sada e o conversor opera como

uma fonte de tenso. No modo corrente a varivel de controle a corrente de sada e

o conversor opera como uma fonte de corrente equivalente.

Nos sistemas fotovoltaicos utilizam-se basicamente dois tipos de conversores

estticos: (i) conversores CC-CC e (ii) conversores CC-CA.

2.2.2.1 Conversores Estticos CC-CC

Os conversores estticos CC-CC so dispositivos que recebem um nvel de

tenso ou de corrente contnua nos seus terminais de entrada e ajustam para um

outro valor de tenso ou de corrente contnua nos terminais de sada de acordo com

as exigncias do sistema. Existem duas topologias bsicas de conversores estticos

CC-CC que so: (a) conversor abaixador de tenso, tambm denominado na literatura

como Step-down ou Buck e (b) conversor elevador de tenso, tambm conhecido

como Step-up ou Boost [10]. A Figura 2.7(a) mostra a topologia de um conversor

abaixador de tenso enquanto que a Figura 2.7(b) mostra a topologia de um conversor

elevador de tenso. Nessas duas figuras S representa a chave esttica de potncia, D

um diodo de potncia, L um indutor para armazenamento de energia, C um

capacitor que atua como filtro de sada, iL(t) a corrente sobre o indutor, Vi a tenso

de entrada e V0 a tenso de sada fornecida a carga R.

Os conversores CC-CC chaveados possuem dois modos de operao de acordo

com a corrente iL(t) que circula pelo indutor L que so: (i) modo de conduo contnua

(MCC) onde a corrente iL(t) sempre maior que zero durante um perodo de

chaveamento e (ii) modo de conduo descontnua (MCD) onde a corrente iL(t)

zero por alguns instantes do perodo de chaveamento [10].


Figura 2.7 - Topologias bsicas dos conversores estticos CC-CC: (a) conversor buck e (b)

conversor boost.

Os conversores estticos CC-CC em um sistema fotovoltaico fazem a ligao

dos painis ao barramento de corrente contnua onde sero conectadas as cagas de

corrente contnua. Os conversores podem exercer dupla funo no sistema

fotovoltaico, a principal adequar o nvel de tenso gerado nos terminais do painel no

nvel de tenso desejado no barramento CC, possibilitando com isso padronizar a

tenso dos equipamentos que sero conectados ao barramento CC. A outra funo

que pode ser incorporada aos conversores estticos CC-CC que conectam os painis

fotovoltaicos ao barramento CC a funo de seguidor do ponto de mxima potncia

do painel, denominada pela sigla MPPT (do ingls, Maximum Power Point Tracker). O

ponto de mxima potncia de um painel varia com o nvel de insolao e com a

temperatura, como mostra os grficos da Figura 2.5(b) e Figura 2.6(b)

respectivamente. O MPPT possibilita extrair a mxima potncia gerada pelos painis

fotovoltaicos em diferentes condies de insolao e de temperatura.

Os dispositivos MPPT funcionam basicamente da seguinte forma, os terminais

do arranjo fotovoltaico so conectados entrada do conversor. Atravs de um

algoritmo de controle que atua sobre a chave S, varia-se o valor da tenso de entrada,

conseqentemente a corrente de entrada tambm varia, at que o produto da tenso

pela corrente na entrada do conversor seja mximo. Esse controle feito

continuamente pelo algoritmo, para que se possa extrair sempre a mxima potncia

que pode ser gerada pelos painis sob determinadas condies de insolao e

temperatura [1].

Existem vrios algoritmos para o rastreamento do ponto de mxima potncia


aplicado ao controle do conversor CC-CC em sistemas fotovoltaicos, a Figura 2.8

apresenta o fluxograma do algoritmo Incremental Condutance proposto em [11]. O

algoritmo procede da seguinte forma: primeiro, ele l os valores atuais da tenso V(k) e

da corrente I(k) na entrada do conversor, em seguida, calcula os desvios dV e dI,

subtraindo a leitura atual pelos valores de tenso V(k-1) e corrente I(k-1) obtidos na

leitura anterior, respectivamente. Se dV e dI forem iguais a zero tem-se que o painel

est operando no ponto de mxima potncia do painel e o algoritmo retornar ao incio.

Caso dV seja igual a zero e dI>0, o algoritmo somar ao valor de tenso de referncia

VREF um incremento de tenso DV, mas se dI


2.2.2.2 Conversores Estticos CC-CA

Os painis fotovoltaicos geram corrente eltrica unidirecional, ou seja, corrente

contnua, porm grande parte dos equipamentos eltricos padronizada para ser

conectada diretamente rede de alimentao de corrente alternada das

concessionrias de energia. Para que estes equipamentos possam ser utilizados em

sistemas fotovoltaicos necessria utilizao de um dispositivo que converta

corrente contnua (CC) em corrente alternada (CA). Estes equipamentos so

denominados na literatura como conversores estticos CC-CA, ou mais comumente

inversores [10].

Dependendo da natureza da fonte unidirecional conectada nos terminais CC dos

inversores eles so classificados como inversores tipo fonte de tenso (VSI do ingls

Voltage Source Inverters) ou inversores tipo fonte de corrente (CSI do ingls Current

Source Inverters) [12].

Existe uma grande variedade de topologias de conversores CC-CA os quais

podem ser monofsicos ou trifsicos. A Figura 2.9(a) mostra a topologia bsica de um

conversor CC-CA monofsico composto por um nico ramo de chaves

semicondutoras e a Figura 2.9(b) a topologia de Conversor CC-CA trifsico composto

por trs ramos de chaves semicondutoras com diodos conectados em antiparalelo.

Figura 2.9 Topologias dos conversores estticos CC-CA: (a) monofsico e (b) trifsico.

Maiores detalhes sobre este tipo de inversores e sobre estratgias de controle e

de eliminao harmnica podem ser achados em [8], [12].


2.2.3 Elemento de Armazenamento de Energia

A produo de energia atravs de painis fotovoltaicos diretamente

proporcional ao nvel de insolao que incide sobre ele, dessa forma nos momentos de

grande insolao haver grande produo de energia, nos momentos com pouca

insolao haver pouca produo de energia e ainda nos perodos sem insolao no

haver produo de energia pelos painis. Assim ocorrero momentos em que a

energia requerida pelas cargas ser menor que a energia gerada e em outros a energia

gerada ser insuficiente para alimentar as cargas do sistema. Como, em grande parte

dos sistemas o consumo de energia no pode acompanhar a variabilidade da gerao

dos painis, ento haver a necessidade de se adaptar a curva de gerao do painel a

curva de consumo de energia do sistema.

As baterias eletroqumicas so uma importante forma de armazenamento de

energia que pode ser utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas so capazes de

transformar diretamente energia eltrica em energia potencial qumica e posteriormente

converter, diretamente, a energia potencial qumica em energia eltrica.

As baterias, tambm chamadas de acumuladores eletroqumicos, so

classificadas em duas categorias: (i) baterias primrias e (ii) baterias secundrias.

Baterias primrias so dispositivos eletroqumicos que, uma vez esgotados os reagentes

que produzem a energia eltrica, so descartadas, pois no podem ser recarregadas. J

as baterias secundrias podem ser regeneradas, ou seja, atravs da aplicao de uma

corrente eltrica em seus terminais pode-se reverter s reaes responsveis pela

gerao de energia eltrica e assim recarregar novamente a bateria [13]. Os sistemas

fotovoltaicos de gerao de energia eltrica utilizam acumuladores secundrios, ou seja,

baterias que podem ser recarregadas. Entre inmeros tipos de baterias secundrias as

mais comuns so as chumbo-cido e as nquel-cdmio [1].

2.2.3.1 Bateria Chumbo-cido

A bateria chumbo-cido a mais utilizada para armazenamento de energia nos


sistemas fotovoltaicos devido principalmente ao seu baixo custo em comparao aos

outros tipos de baterias e a sua grande disponibilidade no mercado [14].

Baterias Chumbo-cido so assim denominadas, pois a sua matria ativa o

chumbo e seus compostos, e o eletrlito uma soluo aquosa de cido sulfrico. A

bateria composta por elementos ou clulas, esses elementos so constitudos por

duas placas de polaridades opostas, isoladas entre si, banhadas pelo eletrlito. Os

elementos so interligados convenientemente no interior da bateria de forma a definir

sua tenso e capacidade nominal. A tenso nominal de um elemento de uma bateria

Chumbo-cido 2V. A Figura 2.10 mostra a estrutura de uma bateria chumbo-cido

retirado do catlogo de baterias chumbo-cido Moura [15].

O processo qumico de gerao de eletricidade atravs de reaes qumicas tem o

nome de Oxidao e Reduo. Os tomos possuem eltrons de valncia, ou seja,

aqueles que vo ser trocados ou compartilhados com outros tomos para formao de

compostos durante as reaes qumicas. Quando o elemento da reao perde eltrons

ele se oxida e chamado de Agente Redutor e o processo chamado de Reduo.

Por outro lado, o elemento da reao que ganha eltrons chamado de Agente

Oxidante e o processo de Oxidao [1], [13].


Figura 2.10 Estrutura de uma Bateria Chumbo-cido selada.

Durante os processos de descarga e carga de uma bateria chumbo-cido, ocorre

tanto o processo de Oxidao quanto de Reduo. Na oxidao o chumbo (Pb) que

compe a placa de polaridade negativa reage com o cido sulfrico (H 2SO4) formando

sulfato de chumbo (PbSO4) e ction de Hidrognio (H +), conforme mostrado a seguir:

Pb + H2SO4 ? PbSO 4 + 2H+ + 2e- + 0,356V (2.7

)

Na reduo o dixido de chumbo (PbO2) que compe a placa de polaridade

positiva reage tambm com o cido sulfrico (H2SO4) mais o ction de Hidrognio (H+)

tendo como produto final dessa reao sulfato de chumbo (PbSO4) mais gua (H2O),

conforme a equao qumica a seguir:

PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e- ? PbSO4 + H2O + 1,685V (2.8

)

A reao qumica completa durante a descarga da bateria e o potencial eltrico

produzido pela reao so dados por:

PbO2 + Pb + H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O + 2,041V (2.9

)

Toda reao qumica cujo potencial eltrico positivo ocorre espontaneamente,

ou seja, fechando-se um circuito atravs dos plos da bateria haver circulao de

corrente. Para regenerao do potencial eletroqumico da bateria ocorre a reao

inversa onde o sulfato de chumbo reage com a gua durante a passagem de uma

corrente eltrica no sentido oposto, obtendo-se novamente dixido de chumbo,

chumbo puro e cido sulfrico. A reao qumica completa e o seu potencial eltrico

produzido durante o processo de carga da bateria so dados por:


2PbSO4 + 2H2O ? PbO2 + Pb + H2SO4 - 2,04V (2.10

)

A capacidade de uma bateria chumbo-cido a quantidade de carga eltrica,

expressa em Ampre-hora (Ah). Essa capacidade obtida atravs de um ensaio de

descarga com corrente constante at a tenso final de descarga por elemento referido

a temperatura de 25C. Deste modo capacidade da bateria o produto da corrente

em Ampres pelo tempo em horas corrigido para a temperatura de referncia. A

capacidade nominal (C) definida para um regime de descarga de 10 horas com

corrente constante, temperatura de 25C, at a tenso final de 1,75V por elemento

[1].

denominado ciclo um processo de descarga seguido de um processo de carga

que restabelea completamente a capacidade da bateria. A vida til de uma bateria

pode ser definida pelo nmero de ciclos que ela pode realizar [1].

Um parmetro importante na escolha de uma bateria chumbo-cido sua

profundidade de descarga. A profundidade de descarga define o percentual em

relao a sua de capacidade nominal que uma bateria pode fornecer sem que seja

comprometida sua vida til. Existem baterias chumbo-cido de baixa profundidade de

descarga, empregadas principalmente em automveis, e baterias de alta profundidade

de descarga, que so as mais indicadas para aplicao nos sistemas fotovoltaicos de

gerao de energia eltrica [1].

O grfico da Figura 2.11, obtido da folha de dados de uma bateria de ciclo

profundo [16], mostra a relao entre a profundidade mdia diria de descarga e o

nmero de ciclos que a bateria capaz de realizar durante sua vida til. Descargas que

ultrapassam a profundidade de descarga da bateria chumbo-cido diminuem o seu

tempo de vida til e uma descarga muito profunda pode tornar o processo qumico

irreversvel finalizando o tempo de operao da bateria. Para aumentar a durabilidade

das baterias chumbo-cido preciso carreg-las adequadamente, conforme as


recomendaes dos fabricantes, antes que sua descarga alcance nveis superiores aos

pr-estabelecidos para a sua profundidade de descarga [18], [19].

Figura 2.11 Grfico da relao entre a profundidade mdia diria de descarga durante um

ciclo e o nmero de ciclos.

Um outro problema relacionado com o processo de descarga da bateria, que

contribui para degradao da vida til das baterias chumbo-cido a sulfatao. A

sulfatao a formao de cristais de sulfato de chumbo nas placas dos elementos. Os

cristais vo acumulando sobre as placas formando uma barreira entre o eletrlito e o

material ativo das placas. Para minimizar a sulfatao deve-se evitar manter a bateria

descarregada por longos perodos de tempo, carregamentos parciais prolongados e a

operao contnua em temperaturas acima de 45C [17].

O processo de carga tambm pode danificar as baterias. Durante o processo de

carga a tenso nos terminais da bateria sobe lentamente at atingir um determinado

valor de tenso quando cessa a acumulao de energia na bateria. A partir desse

ponto, caso no se interrompa a corrente de carga, a bateria passa a consumir toda a

energia entregue realizando a eletrlise da gua contida no eletrlito. Isso ocasiona

perda excessiva de gua resultando no aumento da necessidade de manuteno para

reposio de gua na bateria [20].


2.2.3.2 Bateria Nquel-cdmio

Um outro tipo de bateria secundria tambm empregada nos sistemas gerao

de energia eltrica fotovoltaicos so as baterias nquel-cdmio. Essas apresentam uma

estrutura fsica semelhante das baterias chumbo-cido. Porm, ao invs de placas de

chumbo, elas utilizam hidrxido de nquel para as placas positivas (Ni(OH)2), xido de

cdmio (Cd(OH)2) para as placas negativas e o eletrlito o hidrxido de potssio [1].

A reao qumica completa durante a descarga da bateria e o potencial eltrico

produzido pela reao so dados por.

Cd + NiO2 + 2H2O ? Cd(OH)2 + Ni(OH)2 + 1,3V (2.11

)

A tenso nominal de um elemento de uma bateria Nquel-cdmio de 1,3V a

20C. Em comparao com as baterias chumbo-cido as baterias nquel-cdmio so

menos afetadas por sobrecargas e podem ser totalmente descarregadas, no estando

sujeitas a sulfatao e o seu carregamento no sofre influencia da temperatura [1]. Em

contra partida possuem um custo mais elevado que as baterias chumbo-cido.

2.2.4 Elemento de Regulao de Carga de Bateria

Nos sistemas fotovoltaicos que utilizam bancos de baterias para armazenamento

de energia indispensvel utilizao de um equipamento responsvel por monitorar e

controlar os processos de carga e descarga das baterias [18], [21]. Este equipamento

denominado na literatura por Controlador de Carga de Bateria.

O controlador de carga um dispositivo que controla e monitora o processo de

carga e de descarga das baterias, evitando sobrecargas que possam danificar e

aumentar a necessidade de manuteno das mesmas, e descargas profundas que

diminuam sua vida til.


Os controladores de carga de bateria possuem a finalidade bsica de proteger a

bateria e conseqentemente aumentar a sua vida til. Para tal, os controladores de

carga so compostos basicamente por dois circuitos: (a) um circuito de controle e (b)

um circuito de comutao. O circuito de controle monitora as grandezas do sistema,

como a tenso, a corrente e a temperatura na bateria, processa essas informaes e

gera sinais de controle que so usados para comandar o circuito de comutao. O

circuito de comutao composto por chaves semicondutoras que controlam a tenso

e/ou a corrente de carga ou descarga das baterias.

O circuito de controle a parte fundamental dos controladores de carga, pois

atravs dele que se pode definir uma estratgia de controle adequada para o tipo e o

modelo de bateria empregada no sistema, maximizando a durabilidade da bateria e

aumentando a confiabilidade do sistema.

O Controlador de Carga de Bateria pode usar controle analgico constitudo por

elementos discretos e circuitos integrados dedicados; ou controle digital,

implementado por microprocessador ou processador digital de sinais.

As principais funes que so atribudas aos controladores de carga de bateria

em um sistema fotovoltaico de gerao de energia eltrica so: (i) providenciar o

carregamento completo da bateria, (ii) evitar sobrecarga na bateria, (iii) bloquear

corrente reversa entre a bateria e o painel e (iv) prevenir descargas profundas (no caso

das baterias chumbo-cido).

2.2.4.1 Processo de Carga

Providenciar o carregamento completo da bateria exige do controlador uma

elaborada estratgia de controle, na qual seja possvel carregar a bateria, dentro de seus

limites, o mais rpido possvel j que o perodo dirio de gerao de energia pelo painel

fotovoltaico limitado [22].

Para se obter um rpido, seguro e completo processo de carga da bateria


chumbo-cido, alguns fabricantes de baterias recomendam dividir o processo em

quatro estgios, que sero denominados por: (i) carga leve ou suave (trickle charge ), (ii)

carga profunda (bulk charge), (iii) sobrecarga (over charge) e (iv) carga de flutao (float

charge) [23]. A Figura 2.12 mostra as curvas de corrente e tenso sobre a bateria

durante o processo de carga dividido em quatro estgios.

Figura 2.12 Curvas de corrente e tenso nos quatro estgios do processo de carga da

bateria.

1 Estgio (de T0 a T 1) Carga leve (Trickle charge)

Este primeiro estgio ocorre quando a tenso da bateria est abaixo do valor

VCHGENB, este valor de tenso, especificado pelo fabricante, indica que a bateria

alcanou ou ultrapassou sua capacidade de descarga crtica. Nesta condio, a bateria

deve receber uma pequena corrente de carga definida por ITC que tem um valor tpico

de C/100, onde C capacidade nominal da bateria para o regime de 10 horas. Essa

pequena corrente ITC aplicada at que a tenso da bateria alcance o valor VCHGENB.

Esse estgio tambm previne que ocorra algum acidente caso as placas de um

elemento da bateria esteja em curto, pois se isto tiver ocorrido a tenso nos terminais

da bateria no vai aumentar e assim o processo de carga no passar para o prximo


estgio.

2 Estgio (de T1 a T2) Carga profunda (Bulk Charge)

Aps a tenso na bateria alcanar o valor VCHGENB ser fornecida a bateria uma

corrente constante IBULK. A corrente IBULK a mxima corrente de carga que a bateria

suporta sem excessiva perda de gua, seu valor especificado pelo fabricante. Esta

corrente aplicada at que o valor da tenso na bateria alcance do valor mximo de

sobrecarga de tenso, definido por VOC , tambm especificado pelo fabricante da

bateria.

3 Estgio (de T2 a T3) Sobrecarga (Over charge)

Durante esse estgio o controlador tentar regular a tenso da bateria at o valor

constante VOC para que a bateria alcance plena carga. Quando a corrente de carga cair

at um valor predeterminado IOCT e a tenso permanecer em VOC, o prximo estgio

se iniciar. O valor de IOCT em torno de 10% de IBULK.

4 Estgio (de T3 adiante) Carga de flutuao (Float charge)

Neste estgio o controlador aplicar sobre a bateria uma tenso constante

VFLOAT, cujo valor especificado pelo fabricante da bateria. Esta tenso aplicada

bateria com o objetivo de evitar sua autodescarga. medida que a bateria vai

descarregando sua tenso vai caindo, quando ela alcanar 0,9 VFLOAT o controlador

volta a executar o 2 estgio fornecendo a corrente IBULK. Porm o controlador s

poder retornar ao 2 estgio caso o painel esteja produzindo energia, se no a bateria

continuar descarregando podendo atingir um valor tenso inferior a VCHGENB, ento

o controlador dever retornar ao 1 estgio, quando houver energia disponvel no

sistema.


2.2.4.2 Compensador de Temperatura

A variao da temperatura ambiente modifica os pontos de tenso pr-

determinados para cada estgio, os quais so definidos pelo fabricante para 25C, pois

a caracterstica de tenso dos elementos da bateria chumbo-cido negativamente

dependente da temperatura. A taxa de variao da tenso com a temperatura em uma

bateria chumbo-cido definida por aBT e seu valor varia em torno de -4mV/C por

elemento [21], [24]. A correo da tenso da bateria em relao a variao da

temperatura dada por:

( ),25( ) 25B E C BT EV T V T Na= + - (2.12

)

onde )(TVB a tenso nos terminais da bateria em (V) para a temperatura T em (C),

VE,25C a tenso de um elemento da bateria em (V) em relao a temperatura de

25C e EN o numero de elementos que compe a bateria.

O compensador de temperatura deve ser implementado principalmente nos

controladores que atuam em ambientes onde ocorre uma variao de temperatura

superior a 5 C, com o objetivo garantir uma maior exatido do processo de carga

[25]. O sensor responsvel pela compensao da temperatura deve ser instalado no

mesmo ambiente das baterias para uma maior eficincia do compensador de

temperatura.

2.2.4.3 Desconexo por Baixa Tenso

Para evitar que ocorra uma descarga profunda, acima da permitida em sistemas

que usam baterias chumbo-cido, os controladores devem possuir o recurso de

desconexo da carga por baixa tenso (LVD do ingls Load Voltage Disconnection)

[21]. Este comando acionado quando a tenso da bateria decresce at um valor pr-

determinado VLDV, correspondente ao estado aceitvel de descarga. A bateria volta a

ser conectada a carga quando sua tenso alcana um valor, tambm pr-determinado


VLRV. O valor de tenso de reconexo da carga (LRV do ingls Load Reconnection

Voltage) corresponde a um estado de carga seguro para a bateria voltar a fornecer

energia.

Dependendo da aplicao, os sistemas fotovoltaicos de gerao de energia

eltrica devem ser dimensionados para que o dispositivo LVD seja raramente

acionado, somente nos casos extremos de longos perodos de baixa insolao.

2.2.4.4 Bloqueio de Corrente Reversa

Nos sistemas fotovoltaicos pode ocorrer a circulao de corrente da bateria para

o painel fotovoltaico, durante os perodos em que o painel no est gerando energia,

implicando em perdas de energia pela descarga da bateria. Os controladores de carga

de bateria so capazes de bloquear a circulao desta corrente. Esse bloqueio feito

atravs do circuito de comutao do controlador, que possui chaves unidirecionais ou

diodo de bloqueio [1].

2.3 Topologias Bsicas dos Sistemas de Gerao Baseados em Painis Fotovoltaicos

Os sistemas de gerao de energia eltrica baseados em painis fotovoltaicos no

possuem uma topologia padronizada, eles so projetados de acordo com os recursos

disponveis e as caractersticas de cada aplicao. Os sistemas fotovoltaicos podem ser

divididos em dois grupos, sistemas fotovoltaicos isolados e sistemas fotovoltaicos

acoplados a rede CA [1], [8].

Os sistemas fotovoltaicos isolados so normalmente implementados em regies

remotas e pouco povoadas, onde a rede de alimentao de energia das concessionrias

no alcana e sua expanso tem um custo invivel. J nos sistemas acoplados a rede

CA, a energia eltrica gerada pelos painis podem complementar a oferta de energia


pela concessionria implicando em economia na compra de energia.

2.3.1 Sistemas Fotovoltaicos Isolados

Os sistemas fotovoltaicos isolados da rede de distribuio apresentam muitas

configuraes possveis, essas configuraes so definidas de acordo com a aplicao

do sistema. A seguir, so apresentadas algumas possibilidades.

2.3.1.1 Arranjo Fotovoltaico e Carga CC

Esta a configurao mais simples onde a energia eltrica gerada pelo painel

alimenta diretamente uma carga que opera em corrente contnua. A Figura 2.13(a)

mostra esta configurao. Pode-se melhorar o desempenho e a eficincia dessa

topologia incorporando entre o arranjo fotovoltaico e a carga CC um conversor CC-

CC conforme mostrado na Figura 2.13(b). A finalidade do conversor CC-CC manter

a tenso constante sobre a carga e ainda pode atuar como seguidor do ponto de

mxima potncia.

Esses sistemas no possuem autonomia, ou seja, produzem e fornecem energia

de acordo com o nvel de insolao. Assim sua aplicao se restringe, principalmente,

a sistemas de bombeamento de gua em lugares isolados. Dessa forma pode-se

armazenar a gua em reservatrios elevados sem a necessidade de bombeamento

constante.

2.3.1.2 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CC

Instalaes fotovoltaicas isoladas da rede de fornecimento de energia da

concessionria que necessitam de autonomia no fornecimento de energia precisam

incorporar ao sistema um banco de baterias para o armazenamento de energia para

posterior utilizao. A energia armazenada ser utilizada nos momentos de pouca

insolao e a noite. A Figura 2.13(c) mostra a topologia de um sistema fotovoltaico de


gerao de energia eltrica que incorpora um banco de baterias e alimenta cargas de

corrente contnua. Esses sistemas so empregados em instalaes em locais remotos,

onde se deseja alimentar principalmente equipamentos eletrnicos com tenso

contnua e o fornecimento de energia deve ser ininterrupto. Como por exemplo pode-

se citar as estaes repetidoras de sinais de rdio, as antenas de telefonia mvel e

telefones de emergncia em rodovias.

2.3.1.3 Arranjo Fotovoltaico com Carga CA

Como grande parte dos motores eltricos que compem os equipamentos como

geladeiras, compressores, bombas, entre outros so alimentados em corrente alternada,

os sistemas de gerao fotovoltaica devem incorporar conversores CC-CA para

possibilitar o funcionamento desses equipamentos. Porm esses equipamentos s

podero ser utilizados durante o perodo de gerao de energia do painel fotovoltaico,

pois essa topologia no possui banco de baterias para o armazenamento de energia,

conforma mostra a Figura 2.13(d).

A principal aplicao dessa topologia em regies isoladas, para bombeamento

de gua quando se dispem apenas de motores de induo que devem ser alimentados

por corrente alternada e ainda pode alimentar geladeiras, em pequenas comunidades

de pescadores, para produo de gelo que pode ser armazenado por alguns dias sem a

necessidade de gerao constante de energia.

2.3.1.4 Arranjo Fotovoltaico com Banco de Baterias e Carga CA

A Figura 2.13(e) mostra essa topologia que possui autonomia no fornecimento de

energia e a possibilidade de alimentar cargas em corrente alternada. Essa configurao

indicada principalmente para residncias e postos de sade em locais isolados.


Figura 2.13 Topologias de sistemas fotovoltaicos isolados: (a) ligado direto na carga

CC, (b) conversor CC-CC para ligar a carga CC, (c) banco de baterias e carga CC, (d) conversor CC-CA e carga CA e (e) banco de baterias e carga CA.

2.3.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede CA

Os Sistemas Fotovoltaicos conectados a rede CA funcionam basicamente como

uma fonte complementar ao sistema eltrico de grande porte ao qual esto

conectados. Normalmente esses sistemas no utilizam mecanismos de armazenamento

de energia, pois toda a energia gerada instantaneamente utilizada ou transferida ao

sistema eltrico. Pode-se dividi-los basicamente em dois grupos: sistemas residenciais e

sistemas de grande potncia.

2.3.2.1 Sistemas Fotovoltaicos Residenciais Conectados a Rede CA

Sistemas fotovoltaicos residenciais conectados a rede CA possibilita ao

proprietrio economia nos gastos com a compra de energia eltrica da concessionria.


E para a concessionria representa menores investimentos em ampliao do sistema

de gerao [8].

A conexo com a rede deve atender as normas da legislao local. Na qual

determina parmetros relacionados qualidade de energia, como limite na Taxa de

Distoro Harmnica (THD do ingls Total Harmonic Distortion), Fator de Potncia e

desvio de freqncia. Alm dos fatores relacionados com a qualidade de energia

importante a questo da segurana. A concessionria deve ser capaz de isolar o

sistema de gerao fotovoltaica sempre que necessrio, para poder executar

manutenes na rede sem riscos [1], [8]. A Figura 2.14 mostra a topologia bsica de

um sistema fotovoltaico acoplado a rede CA com medio do balano de energia.

Figura 2.14 Sistema fotovoltaico residencial conectado a rede CA.

2.3.2.2 Sistemas Fotovoltaicos de Grande Porte conectados a Rede CA

Esses sistemas so operados por empresas de gerao de energia. Essas unidades

de gerao injetam toda a energia gerada ao sistema eltrico. A Figura 2.15 mostra a

topologia de um Sistema Fotovoltaico de grande porte conectado mdia tenso

rede CA de distribuio.

Figura 2.15 Sistema Fotovoltaico de grande porte.


2.4 Concluses Parciais

Os sistemas fotovoltaicos por sua versatilidade e inmeras vantagens

representam uma tima alternativa para a expanso do setor de gerao de energia

eltrica. Sendo essenciais as pesquisas neste campo, para torn-los mais eficientes, mais

confiveis e mais acessveis no ponto de vista econmico. Assim, conhecer as

principais caractersticas dos sistemas fotovoltaicos essencial para desenvolvimento e

aprimoramento dos elementos que compem os sistemas.

Sistemas fotovoltaicos que apresentam banco de baterias eletroqumicas

aproveitam melhor a energia gerada pelos painis, pois podem armazenar o excedente

durante os perodos de alta insolao e baixo consumo para utilizar nos perodos de

baixa insolao e alto consumo. As baterias chumbo-cido so as mais utilizadas pelos

sistemas fotovoltaicos, principalmente pelo seu menor custo em relao aos outros

tipos de baterias eletroqumicas.

Um equipamento indispensvel em sistemas fotovoltaicos que utilizam banco de

baterias o controlador de carga de bateria. Este equipamento tem a funo de

gerenciar o processo de carga da bateria, garantindo seu carregamento completo de

forma adequada. Para as baterias chumbo-cido os controladores de carga tambm

devem monitorar o processo de descarga para evitar que ultrapassem a profundidade

de descarga recomendada pelos fabricantes da bateria.

A versatilidade dos sistemas fotovoltaicos permite o projeto de diferentes

topologias, que podem suprir a necessidade de energia para as mais diversas aplicaes.

37

Captulo 3

Controlador de Carga de Bateria

Baseado no Conversor CC-CC

Bidirecional Buck- Boost

3.1 Introduo

O armazenamento de energia em banco de baterias possibilita o estoque do

excedente de energia gerado para posterior reutilizao, o que muito comum nos

sistemas fotovoltaicos, cuja produo de energia dependente de fatores climticos

variveis.

O Controlador de Carga de Bateria o equipamento designado para o controle

do processo de carga e descarga da bateria dentro do sistema, garantido um melhor

aproveitamento da energia gerada e maior vida til para as baterias eletroqumicas.

As baterias chumbo-cido, as mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos,

necessitam de uma estratgia de controle dos seus processos de carga e descarga para

evitar a degradao de sua matria ativa precocemente e conseqente diminuio da

CAPTULO 3- CONTROLADOR DE CARGA DE BATERIA BASEADO NO CONVERSOR CC-CC BIDIRECIONAL 38

sua vida til estimada. Assim, durante o processo de carga o controlador deve adequar

o fluxo de energia entregue a bateria de forma a garantir um carregamento completo

observando os limites de tenso, de corrente e de temperatura da bateria. J durante o

processo de descarga o controlador deve evitar que a bateria seja descarregada alm da

sua capacidade de fornecimento de energia.

Neste captulo apresentada uma proposta de Controlador de Carga de Bateria.

Desenvolvido para um sistema fotovoltaico no qual o banco de baterias est

conectado em paralelo com o barramento CC, que o responsvel pela distribuio da

energia gerada pelos painis. O Controlador de Carga de Bateria conecta o banco de

baterias ao barramento CC, a topologia do circuito desse controlador, responsvel pela

transferncia mtua de energia entre o barramento CC e o banco de baterias,

baseada na topologia de um Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost. Este conversor

possui dois modos distintos de operao, definidos pelo sentido da corrente, ou seja,

opera como um conversor CC-CC Buck durante o processo de carga da bateria e

durante o processo de descarga como um conversor CC-CC Boost.

A estratgia de controle do Conversor CC-CC Bidirecional ajustada para

providenciar o armazenamento de energia em baterias do tipo chumbo-cido. Dessa

forma o processo de carga adotado composto por quatro estgios que ocorrem de

acordo com o estado de carga do banco de baterias, o qual estimado pelo

monitoramento dos valores da tenso e da corrente sobre os terminais do banco de

baterias.

3.2 Topologia do Sistema Fotovoltaico

A topologia do sistema fotovoltaico no qual o Controlador de Carga de Bateria

desenvolvido neste trabalho tem o propsito de atuar idntico ao mostrado na

Figura 2.1. Neste sistema os painis fotovoltaicos esto conectados, atravs de

conversores CC-CC Boost, ao barramento CC. A funo dos conversores CC-CC Boost


manter um valor de tenso contnua VCC constante no barramento CC. Dessa

forma pode-se padronizar a tenso de entrada dos equipamentos que sero

conectados a esse barramento. O barramento CC o responsvel pela distribuio da

energia no sistema. O banco de baterias est conectado ao barramento CC atravs do

Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost que atua como Controlador de Carga de

Baterias.

A energia armazenada deve retornar ao sistema sempre que ele requisitar. Assim

o Controlador de Carga de Bateria deve possibilitar o fluxo de energia tanto no

sentido barramento CC banco de baterias quanto no sentido banco de baterias

barramento CC.

A topologia proposta muito verstil podendo ser empregada tanto para

sistemas isolados como sistemas conectados a rede CA. Em sistemas fotovoltaicos

isolados ela possui autonomia e permite a utilizao de equipamentos alimentados por

corrente alternada e por corrente contnua. J nos sistemas fotovoltaicos conectados a

rede CA esta topologia permite utilizar a energia armazenada para suprir os picos de

demanda de carga quando ultrapassarem a demanda contratada. Possibilitando com

isso diminuir a demanda contratada de energia com a concessionria sem riscos de

multa. E ainda, em eventuais faltas de energia da concessionria, o banco de baterias

pode manter equipamentos essenciais do sistema em funcionamento.

3.3 Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost

O Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost o dispositivo responsvel pelo

processo de carga e de descarga das baterias, ou seja, ele o Controlador de Carga de

Bateria do sistema.

No sistema proposto, o nvel de tenso VCC no barramento CC maior que o

nvel de tenso VBB da entrada do banco de baterias, ento durante o processo de


carga das baterias quando a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias

o Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor abaixador de tenso,

denominado de conversor Buck . Mas quando o sistema necessita da energia

armazenada no banco de baterias a corrente flui no sentido oposto, ento o

Conversor CC-CC Bidirecional atua como um conversor elevador de tenso,

denominado na literatura de conversor Boost. Dessa forma o conversor possui duas

etapas distintas de operao, denominadas por Etapa Buck e Etapa Boost. A Figura 3.1

mostra a topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.

Figura 3.1 Topologia do Conversor CC-CC Bidirecional Buck-Boost.

Essa topologia do Conversor CC-CC Bidirecional tambm proposta para

outras aplicaes que necessitam de dispositivos para o armazenamento de energia

como veculos eltricos [26] e sistemas ininterruptos de energia (UPS do ingls

Uninterruptible Power Supply) [27].

3.3.1 Etapa Buck

Durante a Etapa Buck de funcionamento do conversor, Figura 3.2(a), o sinal de

controle atua sobre a chave S1 enquanto a chave S2 mantida bloqueada. Nesta etapa

a corrente flui do barramento CC para o banco de baterias. O sinal de controle um

sinal modulado por largura de pulso (PWM) que faz a chave S1 conduzir durante o

intervalo ton, Figura 3.2(b) e ficar bloqueada durante o intervalo toff, Figura 3.2(c). O


perodo de chaveamento constante, igual TS.

A Figura 3.2(d) mostra as formas de onda da tenso e da corrente sobre o

indutor L, no limite entre os modos de operao MCC (Modo de Conduo

Contnua) e MCD (Modo de Conduo Descontnua). A tenso mdia no indutor,

VL, em regime permanente pulsado igual a zero [10], portanto pode-se escrever:

= + = S

on on S T

t L t

L T

L dt t v dt t v dt t v 0 ) ( ) ( ) ( 0 0 (3.1

)

Da soluo de (3.1) obtm-se:

0)()( =--- onSBBonBBCC tTVtVV (3.2

)

E o perodo de conduo da chave S1 dado por:

CC

SBBon V

TVt

.=

(3.3

)

A corrente mdia no indutor no limite entre os modos de conduo contnua e

descontnua pode ento ser calculada por:

onBBCC

LL tLVV

iIpicoBuckLimBuck

.2

)(21

,,

-==

(3.4

)

onde, picoBuckL

i,

o valor de pico da corrente iL(t) no conversor Buck em (A) no limite

entre os modos MCC e MDC.

Como a corrente mdia no indutor a mesma corrente na sada do conversor

Buck, temos:

BB

oBBL V

PII

LimBuck==

,

(3.5

)


onde, Po a potncia de sada do conversor em (W).

Substituindo (3.3) e (3.5) em (3.4), tem-se que o valor do indutor L no limite

dos modos de conduo MCC e MDC, durante a Etapa Buck, dado por:

CCo

BBCCBBS

VPVVVT

L.2

).().( 2 -=

(3.6

)

Figura 3.2 Etapas de funcionamento do Conversor CC-CC Bidirecional: (a) Etapa Buck ,

(b) Etapa Buck , chave S1 conduzindo, (c) Etapa Buck chave S1 aberta, (d) formas de onda da

tenso e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e MCD durante a Etapa

Buck, (e) Etapa Boost, (f) Etapa Boost chave S2 conduzindo, (g) Etapa Boost chave S2 aberta,

(h) formas de onda da tenso e da corrente no indutor no limite entre os modos MCC e


MCD durante a Etapa Boost.

Para que o conversor opere no modo de conduo contnua durante a Etapa

Buck deve-se adotar no projeto do conversor um valor de indutncia maior que o

calculado pela equao (3.6) [10].

3.3.2 Etapa Boost

Durante a Etapa Boost, Figura 3.2(e), a chave S1 mantida bloqueada, enquanto

o sinal PWM de controle atua na chave S2. Durante esta etapa a corrente flui do

banco de baterias para o barramento CC. A chave S2 conduz durante o intervalo ton

conforme mostrado na Figura 3.2(f) e fica bloqueada durante o intervalo toff, Figura

3.2(g), o perodo de chaveamento constante, igual TS. A Figura 3.2(h) mostra as

formas de onda da tenso e da corrente sobre o indutor L no limite entre os modos

de operao MCC e MCD. Assim, como no caso anterior, a soluo de (3.1) resulta

em:

0... =+- onCCSCCSBB tVTVTV (3.7

)

Sendo o perodo de conduo da chave S2 dado por:

CC

SBBCCon V

TVVt

).( -=

(3.8

)

E a corrente mdia no indutor no limite entre os modos de conduo contnua

e descontnua dada por:

onBB

LL tLViI

picoBoostLimBoost.

2)(

21

,,==

(3.9

)

onde, picoBoostL

i,

211038

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