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Martinho Maurício Gafur Fernando

Conversor Eletrónico de Potênciapara uma Bomba de Água Alimentadapor Painéis Solares Fotovoltaicos

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Outubro de 2012

Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor Henrique Nuno Baptista Gonçalves

Martinho Maurício Gafur Fernando

Conversor Eletrónico de Potênciapara uma Bomba de Água Alimentadapor Painéis Solares Fotovoltaicos

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Aos meus pais

Martinho Fernando

Sara Jaime Cuve

E à Sara Adriana Gomes Sanches

Para o meu filho Whesley Gafur Sanches Fernando

Agradecimentos

Expressar o meu especial agradecimento ao meu orientador Doutor Henrique

Nuno Baptista Gonçalves, pela disponibilidade exigência e incentivo demostrados ao

longo da realização deste trabalho da dissertação de mestrado. Agradecer ao Professor

Doutor João Luiz Afonso pela atenção dispensada.

Gratular os investigadores do GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia)

particularmente o Doutor Gabriel Pinto, Eng.º Vítor Monteiro, Eng.º Bruno Exposto,

Eng.º Delfim Pedrosa pelas sugestões e criticas ao longo da dissertação. Sem esquecer

dos colegas e colaboradores do GEPE.

Aos técnicos das oficinas Sr. Joel Almeida e ao Sr. Carlos Torres pelo apoio

técnico, disponibilidade e simpatia.

Agradecer o apoio financeiro durante os 6 anos atribuído pelo Instituto Português

de Apoio ao Desenvolvimento (IPAD).

Agradecer aos meus colegas que me acompanharam ao longo dos anos do curso,

Delfim Pinto, Nuno Manuel, Yazalde Manganhela, Nuno Teixeira, Samira Andrade,

pelos grandes momentos vividos que ficarão guardados para sempre na minha memória.

Expressar a minha sincera gratidão à Sara Adriana Gomes Sanches pelo apoio,

paciência, incentivo e dedicação ao longo destes anos.

Por último, e não menos importante, expressar o meu profundo sentido

agradecimento aos meus pais, meus irmãos e irmãs, e meus amigos próximos. Sem

deixar de lembrar a todos que contribuíram diretamente ou indiretamente no meu

percurso académico incluindo a realização deste trabalho da dissertação de mestrado.

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos vii Martinho Maurício Gafur Fernando – Universidade do Minho

Resumo

A água é um dos bens mais precisos para a vida humana. Pode ser classificada em

dois tipos: água doce e água salgada. A água doce é o tipo mais importante para a vida

humana, contudo é a que se encontra em menor quantidade, ou seja, apenas 2,5% do

volume de água do planeta é doce, sendo os restantes 97,5% água salgada. O ser

humano necessita de consumir água que além de doce deve ser potável. Contudo nos

dias de hoje há ainda cerca de 18% da população mundial que carece de água potável.

Vários projetos têm sido implementados com vista a minorar os problemas de falta de

água potável em zonas de difícil acesso, onde não existam redes elétricas para

fornecimento de energia para os sistemas de bombagem de água. Uma das soluções que

tem sido muito utilizada ultimamente é o recurso às energias renováveis.

Este trabalho de dissertação de mestrado tem como objetivo desenvolver uma

alternativa para abastecimento de água em zonas sem acesso à rede elétrica: um sistema

de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. A bomba de água e

os painéis solares serão adquiridos comercialmente, sendo desenvolvido o sistema

eletrónico de interface entre a bomba de água e os painéis solares fotovoltaicos. O

sistema proposto é composto por dois subcircuitos eletrónicos: um conversor elevador

de tensão CC-CC com MPPT (Maximum Power Point Tracker) e um conversor CC-CA

trifásico. O conversor CC-CC permite elevar a tensão disponível à saída dos painéis

solares fotovoltaicos para os níveis necessários ao barramento CC e extrair deles o

máximo de potência disponível. E o conversor CC-CA converte a tensão contínua

gerada pelos painéis, elevada pelo conversor CC-CC, em um sistema trifásico de

tensões alternadas com vista a alimentar o motor de indução trifásico da bomba de água.

Numa primeira fase é feito um estudo bibliográfico sobre o funcionamento dos

sistemas de bombagem de água. Para validar o correto funcionamento do modelo são

apresentados os resultados de simulações computacionais efetuadas e por fim são

apresentados os resultados experimentais do protótipo desenvolvido.

Palavras-Chave: Acionamento de Bomba de Água, Motor de Indução Trifásico,

Inversor Trifásico, MPPT, Energias Renováveis, Painel Solar Fotovoltaico.

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos ix Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Abstract

The water is one of the goods most necessary for the human life. It can be found

in two types: freshwater and saltwater. Freshwater is the most important type for human

life, however it is found in lesser amount. Just 2.5% of the water planet is freshwater,

and 97.5% are saltwater. The consumed water by human being beyond being freshwater

it must be potable water also known as drinking water. Currently almost 18% of the

world-wide population lacks safe drinking water. Several projects have been

implemented in order to mitigate the problems of lack of drinking water in areas of

difficult access, where there are not power grids to supply water pumping systems. One

solution that has been used a lot is the renewable energy pumping systems.

The goal of this dissertation work is to develop an alternative water pumping

system for areas without power grid access: feeding the pumping systems from solar

photovoltaic panels. The water pump and the solar photovoltaic panels will be

purchased, the electronic interface system between the water pump and the solar

photovoltaic panels will be developed. The proposed electronic system consists in two

electronic sub-circuits: a boost DC-DC converter with MPPT (Maximum Power Point

Tracker) and a three-phase DC-AC converter. The DC-DC converter extracts the

maximum power available on the photovoltaic solar panels, and increase their voltage

output to the required level on the DC-link. The DC-AC converter converts DC-link

voltage output of the DC-DC converter in an alternating three-phase voltage system in

order to feed the three-phase induction motor of the water pump.

The first phase was to make a bibliographic study on the operation of water

pumping systems. To validate the proper operation of the proposed model are presented

the results of the computer simulations carried out, and finally are presented the

experimental results of the developed prototype.

Keywords: Water Pump Drive, Three-phase Induction Motor, Three-phase

Inverter, MPPT, Renewable Energies, Solar Photovoltaic Panel.

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xi Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Índice

Agradecimentos .............................................................................................................. v

Resumo .......................................................................................................................... vii

Abstract .......................................................................................................................... ix

Índice .............................................................................................................................. xi

Lista de Figuras ........................................................................................................... xiii

Lista de Tabelas ......................................................................................................... xviii

Lista de Abreviaturas, Acrónimos, Siglas e Símbolos .............................................. xix

CAPÍTULO 1 Introdução .......................................................................................... 1

1.1. Água ................................................................................................................... 1

1.1.1. Água no Planeta .......................................................................................... 1

1.1.2. Importância da Água .................................................................................. 2

1.1.3. Escassez de Água Potável .......................................................................... 4

1.2. Motivações ......................................................................................................... 6

1.3. Objetivos ............................................................................................................ 7

1.4. Organização da Dissertação ............................................................................... 7

CAPÍTULO 2 Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares

Fotovoltaicos ............................................................................................................. 9

2.1. Introdução .......................................................................................................... 9

2.2. Sistemas de Bombagem de Água ....................................................................... 9

2.2.1. Classificação das Bombas ........................................................................ 14

2.2.2. Bombas Centrífugas ................................................................................. 15

2.2.3. Bombas de Deslocamento Positivo .......................................................... 16

2.2.4. Critérios de Seleção de Bombas de Água ................................................. 18

2.3. Sistemas Solares Fotovoltaicos ........................................................................ 19

2.3.1. Distribuição da Energia Solar ................................................................... 20

2.3.2. Aproveitamento da Energia Solar............................................................. 21

2.3.3. Células Fotovoltaicas ................................................................................ 22

2.3.4. Tipos de Células Fotovoltaicas ................................................................. 25

2.4. Conversores Eletrónicos e MPPT’s para Sistemas Fotovoltaicos ................... 27

2.4.1. Conversor CC-CC do tipo Boost .............................................................. 28

2.4.2. Algoritmos de MPPT ................................................................................ 34

2.4.3. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ................................................. 38

2.4.4. Técnica de Modulação PWM ................................................................... 39

2.4.5. Controlo V/F (V/Hz) Constante ............................................................... 42

2.5. Conclusões ....................................................................................................... 45

CAPÍTULO 3 Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de

Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ....................... 47

Índice

xii Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

3.1. Introdução ........................................................................................................ 47

3.2. PSIM ................................................................................................................ 47

3.3. Painéis solares fotovoltaicos ............................................................................ 49

3.4. Conversor CC-CC do tipo Boost ..................................................................... 52

3.5. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ........................................................ 56

3.6. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 59

3.6.1. Algoritmo de MPPT ................................................................................. 60

3.6.2. Resultados de Simulação do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ........................................................................... 61

3.7. Conclusões ....................................................................................................... 67

CAPÍTULO 4 Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de

Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos ....................... 69

4.1. Introdução ........................................................................................................ 69

4.2. Sistema Implementado ..................................................................................... 69

4.3. Conversor CC-CC do tipo Boost ..................................................................... 70

4.3.1. Circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo boost ........................... 71

4.3.2. Sistema de controlo do conversor CC-CC do tipo boost .......................... 74

4.3.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo Boost

77

4.4. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ........................................................ 80

4.4.1. Módulo do conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico ............................... 80

4.4.2. Sistema de controlo .................................................................................. 82

4.4.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo VSI Trifásico .................................................................................................................. 82

4.5. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 87

4.5.1. Resultados Experimentais do ensaio do sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos........................................................ 88

4.6. Conclusões ....................................................................................................... 95

CAPÍTULO 5 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro................................. 97

5.1. Conclusões ....................................................................................................... 97

5.2. Sugestões de Trabalho Futuro .......................................................................... 99

Referências Bibliográficas ......................................................................................... 101

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xiii Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Lista de Figuras

Figura 1.1 – Distribuição da água no planeta Terra (adaptada de [2]). ............................ 2

Figura 1.2 – Consumo de água por sector (adaptada de [3]). ........................................... 3

Figura 1.3 – Consumo de água por sector a nível mundial (adaptada de [5]). ................. 3

Figura 1.4 – Panorama mundial no que se refere a escassez de água [8]. ........................ 4

Figura 1.5 – Distribuição da água potável no planeta (adaptada de [9]). ......................... 5

Figura 1.6 – A situação mundial de abastecimento de água (adaptada de [10]). ............. 5

Figura 2.1 – Shaduf (adaptada de [12]). ......................................................................... 10

Figura 2.2 – Roda Persa (adaptada de [12]). .................................................................. 11

Figura 2.3 – Noria (adaptada de [12]). ........................................................................... 11

Figura 2.4 – Sakia (adaptada de [12])............................................................................. 12

Figura 2.5 – Parafuso de Arquimedes (adaptada de [12]). ............................................. 12

Figura 2.6 – Efeito das bombas alternativas ade pistão ou êmbolo (adaptada de [12]). 13

Figura 2.7 – Bomba de Pistão (adaptada de [12]). ......................................................... 13

Figura 2.8 – Diagrama do tipo de bombas hidráulicas. .................................................. 14

Figura 2.9 – Bomba centrífuga (adaptada de [14]). ........................................................ 15

Figura 2.10 – Algumas bombas de água centrífugas superficiais. ................................. 16

Figura 2.11 – Algumas bombas de água centrífugas submersíveis. ............................... 16

Figura 2.12 – Bombas de água de deslocamento positivo rotativas. .............................. 17

Figura 2.13 – Bombas de água de deslocamento positivo alternativas. ......................... 18

Figura 2.14 – Curva característica da bomba. ................................................................ 18

Figura 2.15 – Destino final da radiação solar que incide sobre a Terra [17], [18]. ........ 20

Figura 2.16 – Distribuição da energia solar pelo planeta, marcada com pontos nos locais

com maior taxa de aproveitamento da radiação solar [19]. ............................................ 20

Figura 2.17 – Processos de Conversão da Energia Solar. .............................................. 22

Figura 2.18 – Elementos da célula fotovoltaica (adaptada de [21]). .............................. 23

Figura 2.19 – Sistemas Fotovoltaico (adaptada de [21]). ............................................... 23

Figura 2.20 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da

radiação solar (adaptada de [20]).................................................................................... 24

Figura 2.21 – Curva de potência e o ponto de máxima potência (adaptada de [20]). .... 25

Figura 2.22 – Diagrama de blocos do sistema proposto. ................................................ 28

Figura 2.23 – Esquemático de um conversor CC-CC elevador de tensão Boost. .......... 28

Figura 2.24 – Técnica de comutação PWM. ................................................................... 29

Lista de Figuras

xiv Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Figura 2.25 – Modo de condução contínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na

indutância; (b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor. ......................... 30

Figura 2.26 – Limite entre os modos de condução contínua e descontínua. .................. 31

Figura 2.27 – Modo de condução descontínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão

na indutância; (b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor; (d) Modo de

condução descontínua. .................................................................................................... 32

Figura 2.28 – Características do conversor boost para a tensão de saída constante

(adaptada de [23]). .......................................................................................................... 33

Figura 2.29 – Ripple da tensão de saída do conversor boost. ......................................... 34

Figura 2.30 – Fluxograma do método de perturbação e observação (P&O). ................. 36

Figura 2.31 – Fluxograma do método de condutância incremental (IC). ....................... 37

Figura 2.32 – Esquemático de um conversor CC-CA inversor trifásico. ....................... 39

Figura 2.33 – Modulação SPWM: (a) SPWM a portadora e os sinais de referência;

(b) Estado do interruptor S1; (c) Estado do interruptor S3 (adaptada de [26]). ............. 40

Figura 2.34 – Tensão entre fases do inversor trifásico: (a) Tensão alternada de saída

; (b) Espectro da tensão alternada de saída (adaptada de [26]). ....................... 41

Figura 2.35 – Corrente no barramento CC: (a) Corrente a entrada do inversor trifásico;

(b) Espectro da corrente a entrada do inversor (adaptada de [26]). ................................ 41

Figura 2.36 – Corrente de saída do inversor trifásico: (a) Corrente alternada de saída na

fase ; (b) Corrente no interruptor S1; (c) Corrente no díodo D1 (adaptada de [26]). .. 42

Figura 2.37 – Curva de binário do motor (adaptada de [27]). ........................................ 43

Figura 2.38 – Relação entre a tensão e a frequência no controlo V/F em malha aberta. 44

Figura 2.39 – Características mecânicas de um motor controlado por V/F constante

(adaptada de [27]). .......................................................................................................... 45

Figura 2.40 – Diagrama de blocos do controlo V/F constante em malha aberta. ........... 45

Figura 3.1 – Ambiente gráfico do software PSIM. ........................................................ 48

Figura 3.2 – Ambiente gráfico da ferramenta Simview do software PSIM. ................... 49

Figura 3.3 – Bloco C do PSIM. ...................................................................................... 49

Figura 3.4 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica. ....................................... 50

Figura 3.5 – Parametrização do modelo dos painéis fotovoltaicos. ............................... 51

Figura 3.6 – Modelo de simulação do conversor CC-CC do tipo boost com o conjunto

de painéis como fonte de energia. .................................................................................. 53

Figura 3.7 – Controlo do conversor CC-CC do tipo boost. ............................................ 53

Figura 3.8 – Formas de onda da tensão do conversor boost: (a) Tensão produzida pelos

painéis solares fotovoltaicos; (b) Tensão à saída do conversor. ..................................... 54

Lista de Figuras

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xv Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Figura 3.9 – Formas de onda da corrente do conversor boost: (a) Corrente produzida

pelos painéis solares fotovoltaicos; (b) Corrente à saída do conversor. ......................... 55

Figura 3.10 – Potências do sistema: (a) Potência produzida pelo conjunto de painéis

solares fotovoltaicos; (b) Potência do conversor CC-CC do tipo boost. ........................ 55

Figura 3.11 – Modelo de simulação do conversor CC-CA do tipo VSI. ........................ 56

Figura 3.12 – Bloco de controlo do conversor CC-CA com o método de controlo V/F. 57

Figura 3.13 – Tensões do conversor CC-CA: (a) Tensão à entrada do conversor CC-CA;

(b) Tensão à saída entre as fases e ; (c) Tensão à saída entre as fases e c;

(d) Tensão à saída entre as fases e . ........................................................................... 58

Figura 3.14 – Frequência e correntes do conversor CC-CA: (a) Frequência de saída do

conversor; (b) Corrente de saída na fase ; (c) Corrente de saída na fase ; (d) Corrente

de saída na fase . ........................................................................................................... 59

Figura 3.15 – Modelo de simulação do sistema de bombagem de água alimentado por

painéis solares fotovoltaicos. .......................................................................................... 60

Figura 3.16 – Boco de controlo do conversor CC-CC com algoritmo MPPT

implementado. ................................................................................................................ 61

Figura 3.17 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares

fotovoltaicos; (b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. ........ 62

Figura 3.18 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis

solares fotovoltaicos; (b) Tensão de saída do conversor CC-CC; (c) Corrente fornecida

pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos. .............................................................. 63

Figura 3.19 – Tensão entre fases filtradas à saída do conversor CC-CA. ...................... 63

Figura 3.20 – Tensão entre fases não filtradas à saída do conversor CC-CA. ............... 64

Figura 3.21 – Corrente nas fases à saída do conversor CC-CA. .................................... 64

Figura 3.22 – Frequência de operação do conversor CC-CA. ........................................ 65

Figura 3.23 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares

fotovoltaicos; (b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. ........ 66

Figura 3.24 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis

solares fotovoltaicos; (b) Tensão a saída do conversor CC-CC e a entrada do conversor

CC-CA; (c) Corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. .............................. 66

Figura 3.25 – Tensões e correntes à saída do conversor CC-CA e a frequência de

operação: (a) Tensão entre fases; (b) Corrente nas fases................................................ 67

Figura 4.1 – Diagrama de blocos do sistema implementado .......................................... 70

Figura 4.2 – Esquemático do conversor CC-CC do tipo boost. ..................................... 71

Figura 4.3 – Indutância desenvolvida. ............................................................................ 73

Lista de Figuras

xvi Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Figura 4.4 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CC do tipo

boost. .............................................................................................................................. 74

Figura 4.5 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de

controlo do conversor CC-CC do tipo boost. ................................................................. 75

Figura 4.6 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o sensor de corrente........... 77

Figura 4.7 – Tensão de entrada e de saída do conversor CC-CC do tipo boost. ............ 77

Figura 4.8 – Circuito elétrico representativo de uma fonte de tensão não ideal ............. 78

Figura 4.9 – Esquema elétrico da ligação do sistema para o teste de funcionamento do

algoritmo de MPPT. ....................................................................................................... 78

Figura 4.10 – Tensão e potência à saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Instante

com o MPPT desligado; (b) Instante com o MPPT ligado. ............................................ 79

Figura 4.11 – Variação de potência e tensão de saída: (a) Perda de potência; (b) Ganho

de potência. ..................................................................................................................... 79

Figura 4.12 – Smart Power Module FCBS0550 (adaptada de [30]). ............................. 80

Figura 4.13 – Circuito interno do módulo FCBS0550 [30]. ........................................... 81

Figura 4.14 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CA do tipo VSI

trifásico. .......................................................................................................................... 81

Figura 4.15 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de

controlo do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. ..................................................... 82

Figura 4.16 – Sinais de PWM filtrados à saída do microcontrolador: (a) Sinais a 50Hz;

(b) Sinais a 40Hz; (c) Sinais a 25Hz; (d) Sinas a 10Hz. ................................................. 83

Figura 4.17 – Comportamento do sistema para diferentes níveis da variável de

referência: (a) Variável de referência a crescer; (b) Variável de referência a decrescer.

........................................................................................................................................ 84

Figura 4.18 – Tensão entre fases do conversor CC-CA do tipo VSI: (a) Saída a 50Hz;

(b) Saída a 40Hz; (c) Saída a 30Hz; (d) Saída a 20Hz. .................................................. 84

Figura 4.19 – Motor de indução trifásico usado nos ensaios.......................................... 85

Figura 4.20 – Tensão entre fases filtrada aos terminais do motor: (a) Tensão entre fases

a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 30Hz; (c) Tensão entre fases a 10Hz. ........................ 86

Figura 4.21 – Tensão composta aos terminais do motor: (a) Tensão composta a 50Hz;

(b) Tensão composta a 30Hz; (c) Tensão composta a 10Hz. ......................................... 86

Figura 4.22 – Corrente do motor numa das fases: (a) Corrente a 50Hz; (b) Corrente a

30Hz; (c) Corrente a 10Hz.............................................................................................. 87

Figura 4.23 – Comportamento do algoritmo V/F quando a variável de controlo varia. 87

Figura 4.24 – Bancada de trabalho com o sistema desenvolvido. .................................. 88

Lista de Figuras

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xvii Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Figura 4.25 – Esquema do teste ao sistema de bombagem com uma carga resistiva. .... 88

Figura 4.26 – Tensões do sistema com o MPPT desligado: (a) Tensão de entrada e saída

do conversor CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA. ................... 89

Figura 4.27 – Tensões do sistema com o MPPT ligado: (a) Tensão de entrada e saída do

conversor CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA. ........................ 89

Figura 4.28 – Comportamento do sistema: (a) Instante em que o MPPT é ligado;

(b) Instante em que o MPPT é deligado. ........................................................................ 90

Figura 4.29 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico:

(a) Tensão entre fases a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 25Hz; (c) Tensão entre fases a

15Hz. .............................................................................................................................. 91

Figura 4.30 – Corrente numa das fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI

trifásico: (a) Corrente na fase a 50Hz; (b) Corrente na fase a 25Hz; (c) Corrente na fase

a 15Hz. ............................................................................................................................ 91

Figura 4.31 – Tensões na entrada e saída do conversor CC-CC do tipo boost:

(a) Frequência da tensão de saída de 50Hz; (b) Frequência da tensão de saída de 25Hz;

(c) Frequência da tensão de saída 15Hz. ........................................................................ 92

Figura 4.32 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico

quando a potência disponível varia. ............................................................................... 92

Figura 4.33 – Resposta do sistema a variação da potência em degrau. .......................... 93

Figura 4.34 – Tensão entre fases filtradas aos terminais do motor de indução trifásico:

(a) Instante inicial MPPT desativado; (b) Instante com o MPPT ativado. ..................... 94

Figura 4.35 – Tensão aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Tensões entre

fases trifásicas; (b) Tensão entre duas fases. .................................................................. 94

Figura 4.36 – Comportamento do sistema para uma variação de potência (tensão entre

fases aos terminais do motor de indução trifásico)......................................................... 95

Figura 4.37 – Efeito da potência na velocidade do motor. ............................................. 95

xviii Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 – Volume da água no planeta (adaptada de [3]). ............................................ 2

Tabela 2.1 – Estados válidos do inversor de tensão trifásico. ........................................ 39

Tabela 3.1 – Características do painel solar fotovoltaico da BP de referência BP 2150S

[28]. ................................................................................................................................ 51

Tabela 3.2 – Valores obtidos nos resultados da simulação. ........................................... 57

Tabela 4.1 – Valores de base admitidos no dimensionamento da indutância. ............... 72

Tabela 4.2 – Principais características do microcontrolador PIC18F4431. ................... 75

Tabela 4.3 – Alguns pontos de funcionamento do motor. .............................................. 85

Tabela 4.4 – Valores de operação do sistema quando este opera com pontos de máxima

potência diferentes. ......................................................................................................... 90

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos xix Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Lista de Abreviaturas, Acrónimos, Siglas e Símbolos

ADC Analog to Digital Converter

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

CSI Current Source Inverter

DAC Digital to Analog Converter

GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

H Altura manométrica

IEEE Institute of Electrical and Engineers

ISC Short Circuit Current

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

JMP Joint Monitoring Programme

MOSFET Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor

MPP Maximum Power Point

MPPT Maximum Power Point Tracker

NOTC Nominal Operating Cell Temperature

PV Photovoltaic

PSIM Power Simulator

PWM Pulse Width Modulation

RMS Root Mean Square

SPM Smart Power Module

SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation

UNICEF United Nations of International Children’s Emergency Found

UPS Uninterrupted Power Supply

VSI Voltage Source Inverter

VOC Voltage Open Circuit

WHO World Health Organization

Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos 1 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Água

A água é um recurso essencial para quase todas as formas de vida conhecidas,

pode ser encontrada em três estados distintos: liquido, sólido ou gasoso. Na Terra os

recursos hídricos encontram-se em variadas formas como: água salgada ou doce, água

pura ou mineralizada, água à superfície ou subterrânea, água em gelo ou neve, água em

granizo ou nevoeiro, água em vapor ou chuva e ainda como principal constituinte dos

seres vivos. Devido ao seu ciclo natural ou à constante mudança de estado na natureza

esta apresenta uma distribuição variável, em torno do planeta Terra [1].

Dada a sua importância, a água encontra-se presente em quase todas as atividades

humanas como: agricultura, pecuária, indústria, produção de energia elétrica, higiene,

tratamento de algumas doenças, combate a incêndios, prática de modalidades

desportivas, transporte entre outras. Além da importância nas atividades humanas,

desempenha uma função importante no funcionamento do organismo dos seres vivos,

num ser humano ela representa cerca de 70% do seu peso. Também desempenha um

papel importante na natureza pois as águas subterrâneas, da chuva ou do gelo derretido

são responsáveis pela formação dos rios.

1.1.1. Água no Planeta

Visto do espaço o planeta Terra assemelha-se a uma grande esfera azul, isto deve-

se ao facto de 70%, cerca de 2/3, da superfície do planeta ser composta por água, os

continentes ocupam apenas os restantes 30%.

O volume aproximado de água na Terra é cerca de 1 360 000 000 km³, dos quais

97% é água salgada dos oceanos e mares que é impropria para o consumo humano,

apenas os restantes 3% são água doce. Destes cerca de 90% não está diretamente

acessível ao homem [2].

Como se pode verificar na Figura 1.1 só uma pequena parcela da água do planeta

é doce, tal parcela são cerca de 3% que se encontra dividida da seguinte maneira: 68,7%

de gelo e glaciares, 30,1% de águas subterrâneas, 0,9% em forma de vapor de água e

Capítulo 1 – Introdução

2 Conversor Eletrónico de Potência para uma Bomba de Água Alimentada por Painéis Solares Fotovoltaicos Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

outras e 0,3% de água à superfície. A água à superfície é a que está mais acessível ao

homem e representa 0,009% de toda água do planeta.

Figura 1.1 – Distribuição da água no planeta Terra (adaptada de [2]).

Na Tabela 1.1 acima se encontram listados os volumes de água e as respetivas

percentagens em relação ao volume total da água no planeta.

Tabela 1.1 – Volume da água no planeta (adaptada de [3]).

Local Volume (km³) Percentagem do total (%)

Oceanos e Mares 1319200000 97

Gelo e Glaciares 28029600 2,061

Subterrânea 12280800 0,903

Vapor de água 367200 0,027

Lagos 106488 0,00783

Pântanos 13464 0,00099

Rios 2448 0,00018

1.1.2. Importância da Água

A maior parte das formas de vida que são conhecidas necessitam de água para

sobreviver, por esse motivo pode-se afirmar que sem água não há vida, ou seja, a água é

a fonte da vida.

Água salgada

(oceanos) 97%

Camadas de gelo

e glaciares 68,7%

Lagos 87%

Água doce 3%

Água subterrânea

30,1%

Pântanos 11%

Outras 0,9%

Rios 2% Água a superfície

0,3%


Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos 3 Martinho Maurício Gafur Fernando - Universidade do Minho

Ela é também é importante para vários sectores nomeadamente o doméstico,

agricultura e indústria. Na Figura 1.2 é possível verificar que a nível global o sector da

agricultura é o que mais água usa, seguido do sector industrial, e por fim o sector

doméstico com menor consumo [3].

Figura 1.2 – Consumo de água por sector (adaptada de [3]).

O consumo de água por sector pode variar consoante o país, ou seja em países

desenvolvidos o sector industrial (58%) destaca-se à agricultura (30%) seguido do

doméstico (11%), nos países em desenvolvimento destaca-se o sector agrícola (82%),

seguido do industrial (10%) e por fim o doméstico (8%). A Figura 1.3 demonstra uma

visão global do consumo de água no mundo por região, nos sectores anteriormente

referidos [4]. Importa ainda salientar que a água desempenha um papel muito

importante no desenvolvimento das sociedades.

Figura 1.3 – Consumo de água por sector a nível mundial (adaptada de [5]).

8%

Consumo

doméstico

22%

Indústria

70%

Agricultura



1.1.3. Escassez de Água Potável

Entende-se como água potável a que pode ser consumida pelo homem sem riscos

para a sua saúde, também conhecida por água tratada pois preenche os requisitos de

natureza física, química e biológica dos padrões das legislações nacionais e

internacionais.

O problema de escassez de água potável afeta cerca de 18% da população

mundial, e se se mantiver os níveis atuais de consumo e de danos ao meio ambiente a

situação pode piorar, em 2025 é provável que afete 2/3 da população e em 2050, 75% da

população mundial segundo a ONU (Organização das Nações Unidas) [6].

Entre vários fatores que originam o problema de escassez de água potável

destacam-se os seguintes: a sua distribuição irregular no planeta, o aumento

populacional, alterações climáticas, a poluição, a má utilização da água potável, razões

socioeconómicas entre outras. Em algumas regiões apesar da abundância de água doce

escasseia água potável, e este problema afeta a maior parte do continente Africano,

continente Asiático, Austrália e algumas zonas do continente Americano [7].

A Figura 1.4 demonstra a situação global dos problemas de escassez de água no

mundo, que vão desde a escassez física ou económica a locais sem nenhuma escassez.

Figura 1.4 – Panorama mundial no que se refere a escassez de água [8].

Na Figura 1.5 é possível verificar a distribuição dos recursos hídricos pelo planeta

Terra [9].



Figura 1.5 – Distribuição da água potável no planeta (adaptada de [9]).

Com vista a minorar os problemas de falta de água potável que assolam quase

todo o planeta, têm sido desenvolvidos vários projetos por organizações governamentais

e não-governamentais. Estes projetos visam abastecer populações em bairros urbanos e

zonas rurais de países mais pobres, que não têm acesso à água potável.

A nível mundial houve um aumento de 77% para 87% entre 1990 à 2008 de

pessoas no mundo com acesso a abastecimento de água, segundo o relatório da WHO &

UNICEF (World Health Origanization & United Nations of International Children's

Emergency Fund) – JMP (Joint Monitoring Programme) for Water Supply and

Sanitation. Na Figura 1.6 pode-se observar a atual situação mundial do abastecimento

de água, as percentagens representam a população que em determinada zona têm acesso

ao abastecimento de água [10].

Figura 1.6 – A situação mundial de abastecimento de água (adaptada de [10]).

2%

América

Central

4%

Oceania

9% África

15% Europa

17% América

do Norte 26%

Ásia

27%

América do

Sul



Tal como referido anteriormente esta situação tem vindo a melhorar nos últimos

anos, grande parte desta melhoria deve-se aos diversos projetos que são desenvolvidos

em zonas com maiores necessidades. Em certas zonas as populações tinham que

percorrer diariamente maratonas em busca de água, mas graças a sistemas de

bombagem de água, furos artesianos, entre outros, é possível mudar a vida de milhares

de pessoas.

Na sua maioria, as zonas com problemas de escassez de água são locais isolados e

de difícil acesso. O número de habitantes destas zonas é reduzido com o nível de vida

muito baixo, ou seja, populações que vivem no limiar da pobreza. Importa salientar que

a falta de água potável é prejudicial à saúde uma vez que provoca várias doenças, e

aumenta a mortalidade infantil, o que contribui muito para o crescimento do índice de

pobreza. É pelos motivos anteriormente citados que os governos e organizações não-

governamentais estão empenhados em solucionar o problema de carência de água

potável.

Os projetos desenvolvidos por organizações governamentais e não-

governamentais sem fins lucrativos, têm como suporte as energias renováveis. As

energias renováveis são o elemento principal para produção de energia elétrica que

impulsiona o desenvolvimento das zonas isoladas da rede elétrica, e também de

abastecimento de água. Não esquecendo de referir que são uma fonte de energia limpa

que provem de recursos naturais como sol, vento, chuva e marés, que estão disponíveis

nessas regiões.

1.2. Motivações

Os problemas de escassez de água potável têm crescido consideravelmente,

solucionar este problema é prioritário para várias organizações internacionais. A

pesquisa e desenvolvimento de soluções para minorar este problema têm sido de

extrema importância, pois garantir o acesso à água potável ajuda a melhorar e/ou salvar

a vida de milhares de pessoas, esta é a principal motivação deste projeto.

Tal como referido anteriormente muitas comunidades têm dificuldades no

abastecimento de água por questões económicas, principalmente por se encontrarem em

locais isolados da rede elétrica, o que dificulta ainda mais o acesso à água potável. Os

sistemas elétricos com base em fontes de energia renováveis são uma alternativa em

crescimento. Deste modo justifica-se o estudo e desenvolvimento de um sistema de

bombagem de água alimentado por uma fonte de energia renovável. A fonte de energia

renovável escolhida foi o sol, ou seja, a energia solar uma vez que esta se encontra



disponível em quantidade, mesmo nas zonas isoladas mais áridas e muito pobres em

recursos naturais. É por estes motivos que se optou pelo desenvolvimento de um

sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos.

A nível académico a motivação é o término do curso de Mestrado Integrado em

Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores, com o grau de mestre no ramo de

Sistemas de Energia.

A nível pessoal, a principal motivação passa pelo desenvolvimento de algo útil a

milhares de pessoas, ou seja, saber que com este sistema é possível melhorar e salvar

vidas de milhares de pessoas. Outra motivação é a de adquirir conhecimentos em

sistemas de fontes de Energia Renováveis, sendo uma mais-valia para o futuro na

carreira profissional.

De um modo geral este trabalho é um grande desafio, com imenso significado

pois representa muito para milhares de pessoas e especialmente para mim.

1.3. Objetivos

No âmbito desta Dissertação de Mestrado o principal objetivo é a implementação

de um Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos.

Tal sistema passa pelo desenvolvimento de todo o sistema eletrónico responsável pela

interface entre os painéis solares e a bomba de água. Para que seja alcançado foram

definidos critérios a prior para que sirvam de base ao desenvolvimento do projeto:

Estudo e consolidação do know-how dos sistemas de bombagem de água

alimentados por painéis solares fotovoltaicos.

Criação e validação do modelo do sistema de bombagem com recurso a

ferramentas computacionais.

Desenvolvimento de um sistema otimizado de bombagem de baixo custo, e com o máximo de eficiência.

1.4. Organização da Dissertação

Esta dissertação de mestrado é dividida em cinco capítulos, dos quais o primeiro é

o introdutório que corresponde ao presente capítulo. Neste capítulo é feita uma

descrição dos vários problemas de falta de acesso a água potável no mundo, e que

muitas vezes estão direitamente relacionados com a falta de energia elétrica, sendo que

as energias renováveis figuram como uma alternativa à resolução deste problema.



No Capítulo 2 é feito um estudo teórico sobre os sistemas de bombagem de água

alimentados por painéis solares fotovoltaicos, descriminando os principais elementos

constituintes do sistema, com vista a ser feita uma contextualização do tema da

dissertação, e serve de base para o capítulo seguinte.

O Capítulo 3 apresenta as simulações computacionais do sistema de bombagem

realizadas com recurso à ferramenta PSIM (Power Simulator), com vista a validar os

conceitos teóricos apresentados no capítulo anterior. As simulações são feitas tendo em

conta as condições reais para as quais o projeto vai operar, com vista a prever situações

que podem ocorrer no protótipo prático.

Uma vez validados os conceitos teóricos do sistema de bombagem no capítulo 3

no Capítulo 4 é feita a descrição dos componentes físicos e sua montagem usados na

implementação do sistema, nomeadamente os componentes usados na projeção do andar

de potência e do sistema de controlo. Também são apresentados os testes e os resultados

experimentais do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares

fotovoltaicos.

Por fim no Capítulo 5 são apresentadas a conclusões relevantes retiradas ao longo

da realização deste trabalho, e também apresentadas sugestões de trabalho futuro.


CAPÍTULO 2

Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por

Painéis Solares Fotovoltaicos

2.1. Introdução

No capítulo anterior – Introdução, foram abordados aspetos relacionados com a

problemática de escassez de água potável.

Para as povoações residentes em zonas rurais de difícil acesso com problemas de

falta de abastecimento de água potável, sistemas de bombagem de água alimentados por

painéis solares fotovoltaicos têm-se revelado uma alternativa para amenizar este

problema.

O presente capítulo debruçar-se-á sobre a história do abastecimento e bombagem

de água, e apresentará os principais elementos constituintes de um sistema de

bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, nomeadamente as

bombas de água, os painéis solares fotovoltaicos e os conversores eletrónicos de

potência.

2.2. Sistemas de Bombagem de Água

Define-se como bomba de água um dispositivo usado para mover fluídos que

podem ser líquidos, de um ponto para o outro por ação física ou mecânica. As bombas

de água transformam energia mecânica em energia hidráulica que é fornecida aos

fluídos fazendo com que estes se movam.

A necessidade de bombear, ou seja, mover elevar ou puxar a água remonta aos

primórdios da história da humanidade. As primeiras civilizações procuravam se erguer

em zonas privilegiadas de recursos hídricos superficiais ou subterrâneos, ou seja,

próximo dos rios, lagos, canais ou de lençóis subterrâneos com vista a terem acesso a

este bem precioso para as suas atividades diárias nomeadamente para o uso doméstico,

na agricultura e pecuária.

O método usado pelas primeiras civilizações para obter água doce superficial era

utilizando potes e para água subterrânea potes com cordas, até ao surgimento da

primeira bomba de água. As primeiras bombas inventadas eram simples e operavam por

Capítulo 2 – Sistemas de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos


ação da força humana, força animal ou por simples dispositivos que aproveitavam as

forças naturais, tais como as correntes de vento ou da própria água. A bomba de água

foi uma das primeiras invenções da civilização, e considerando a sua importância no

dia-a-dia pode ser uma das mais importantes.

O primeiro engenho de elevação de água foi inventado por volta do ano 2000 a.C.

pelos egípcios e era denominado shaduf (Figura 2.1). Era constituído por um tronco que

possuía um recipiente numa das extremidades e na outra um contrapeso fixo, suspenso

no meio de um tronco perpendicular. O seu modo de operação é simples e pratico, e

consiste em baixar o recipiente para o rio ou poço para encher de água uma vez cheio o

contrapeso ajuda a ergue-lo para ser esvaziado para um canal. O shaduf ainda é usado

nos dias de hoje em certas zonas de África e Ásia [11].

Figura 2.1 – Shaduf (adaptada de [12]).

Por volta do ano 500 a.C. os persas inventaram uma bomba mais eficiente a qual é

atualmente conhecida como “roda Persa” (Figura 2.2). Consiste numa roda grande com

uma corrente à sua volta com inúmeros recipientes uniformemente separados ao longo

do seu comprimento. Estas bombas de água funcionavam por tração animal de forma

contínua, o movimento giratório da roda permite que os recipientes mergulhem na água

e enchendo-se dela que posteriormente sejam esvaziados para um canal quando

chegavam à superfície [11]. Atualmente em certas zonas na Índia o abastecimento de

água é feito por rodas persas, porém com melhor eficiência por serem elétricas.



Figura 2.2 – Roda Persa (adaptada de [12]).

Em meados do ano 300 a.C. os gregos inventaram uma bomba de água movida

pelas correntes de água designada por noria (Figura 2.3). A sua estrutura é similar à da

roda persa mas sem a corrente e com uma roda maior submersa na água, com

compartimentos igualmente espaçado. Tem pás montadas junto à roda que fazem com

que esta gire com as correntes da água.

Figura 2.3 – Noria (adaptada de [12]).

À medida que a roda gira os compartimentos são mergulhados na água

consequentemente enchendo-se dela, e em seguida quando atingem a parte superior são

esvaziados para um canal [11]. Desde o período em que foram inventadas até a

atualidade estas bombas sofreram muitas alterações e ainda são usadas em alguns países

como México e Síria.

Posteriormente em meados dos anos 200 a.C. surgiu a bomba sakia (Figura 2.4)

inventada pelos egípcios. Esta é um modelo melhorado da roda persa e da bomba noria.

Consiste numa roda grande oca com inúmeros recipientes uniformemente espaçados. É



montada submersa na água como a bomba noria, mas funciona por tração animal como

as rodas persas. À medida que a roda gira os recipientes no nível mais baixo enchem-se

de água e posteriormente são esvaziados para um canal quando se encontram no nível

mais elevado [11].

Figura 2.4 – Sakia (adaptada de [12]).

O grande matemático grego Arquimedes (287 a.C. à 212 a.C.) é considerado

como o criador da primeira bomba parafuso por volta dos anos 250 a.C., por esse

motivo é conhecida como o parafuso de Arquimedes (Figura 2.5). Basicamente é uma

hélice de grande porte inserida dentro de um cilindro. Opera com força humana ou

animal de modo inclinado com uma das extremidades do cilindro mergulhada na água, e

à medida que a hélice é rodada a água é desloca-se para a outra extremidade fora da

água. Esta bomba apesar de ser de fácil construção apresentava a vantagem de mover

um grande volume de água relativamente às suas dimensões [11].

Figura 2.5 – Parafuso de Arquimedes (adaptada de [12]).

O modelo ancestral da atual bomba manual foi concebido por Ctesibus (285 a.C. à

222 a.C.) em meados do ano 200 a.C. no Egipto, conhecida como a bombas de água

alternativa a pistão ou êmbolo (Figura 2.6) são as primeiras bombas de deslocamento

positivo. Consiste num cilindro na posição vertical e um êmbolo ou pistão na parte

superior, e duas válvulas. Com o cilindro mergulhado no poço de água movendo o



pistão para cima a válvula superior é fechada criando um vácuo, que faz com que a água

seja puxada para dentro do cilindro pela válvula inferior que é aberta, e a água por cima

da válvula superior é movida para a saída da bomba. Movendo o pistão para baixo a

válvula inferior é fechada impedindo que a água volte para o poço e a válvula superior é

aberta permitindo deste modo que o pistão se mova para baixo através da água no

cilindro [11]. Esta bomba é também conhecida como elevador por causa do seu

princípio de funcionamento cima baixo.

Figura 2.6 – Efeito das bombas alternativas ade pistão ou êmbolo (adaptada de [12]).

Na era d.C. (depois de Cristo) as bombas alternativas (Figura 2.7) foram uma

revolução na forma como as pessoas se abasteciam de água subterrânea. Com o mesmo

princípio de funcionamento foram criadas diferentes bombas de modo a adaptarem-se

aos locais onde eram empregues.

Figura 2.7 – Bomba de Pistão (adaptada de [12]).

Ainda hoje, estas bombas alternativas são usadas em zonas remotas sem redes de

abastecimento de energia elétrica. Pode-se afirmar que são usadas em todo mundo,



particularmente nos países em via de desenvolvimento onde existem várias zonas sem

rede elétrica e nem sistemas de abastecimento de água.

Os vários dispositivos ancestrais que foram mencionados acima cuja origem data

a milhares de anos atrás foram essenciais para o desenvolvimento de muitas sociedades

antigas, e muitos deles permanecem em operação até hoje. Apesar das várias alterações

para melhorar o seu desempenho os princípios básicos de funcionamento permanecem

os mesmos. Uma das principais alterações é o facto de não serem movidas por força

humana ou animal, mas por motores elétricos.

2.2.1. Classificação das Bombas

As bombas hidráulicas são dispositivos presentes em muitas aplicações

atualmente, que vão desde aplicações domésticas, agrícolas e industriais. Operam em

diferentes condições e com diferentes propósitos por isso são produzidas em diferentes

modelos e tamanhos. No entanto, de entre os vários modelos podem ser divididas em

duas categorias fundamentais, as bombas volumétricas ou de deslocamento positivo e as

bombas hidrodinâmicas ou turbo-bombas [13]. Na Figura 2.8 é possível observar o

diagrama representativo dos diferentes tipos de bombas hidráulicas.

Figura 2.8 – Diagrama do tipo de bombas hidráulicas.

As primeiras bombas de água inventadas eram acionadas por força humana ou

animal, rodas de água ou por moinhos. Embora atualmente muitas bombas de água

Bombas

Hidráulicas

Volumétricas ou de

Deslocamento

Positivo

Hidrodinâmicas ou

Turbo-Bombas

CentrífugasAlternativasRotativas

VerticaisEngrenagens

Parafusos

Pás Rotativas

Êmbolo

Pistão

Diafragma

Dupla Sucção

Multi-estagios

Fluxo Axial

Fluxo Misto

Periféricas ou

Regenerativas



sejam acionadas manualmente, a grande maioria das bombas de água fabricadas

atualmente são acionadas por motores elétricos. O motor elétrico é uma máquina que

transforma a energia elétrica em mecânica, que ao ser acoplado a uma bomba de água

faz o conjunto conhecido como motobomba. Estes motores combinam várias vantagens

entre as quais uma boa relação tamanho potência, uso de energia elétrica, limpeza e

comando simples, construção simples, custo de aquisição e manutenção reduzido e

grande versatilidade na adaptação às diversas cargas com melhores rendimentos. Apesar

de a maior parte das bombas de água que não são acionadas manualmente serem

acionadas eletricamente ainda se encontram em menor número bombas de água

acionadas por motores de combustão interna, turbinas a vapor ou gás e motores

hidráulicos.

O conjunto motobomba pode ser classificado consoante o modo de energia usado

pela unidade motora, que pode ser contínua ou alternada. Apesar de se encontrarem no

mercado bombas acionadas por motores elétricos de corrente contínua, grande parte é

acionada por motores elétricos de corrente alternada.

Nas secções que se seguem serão abordadas com algum pormenor as bombas de

água que são mais usadas nas aplicações de bombagem de água, já que atualmente são

também muito utilizadas para mover outros fluidos.

2.2.2. Bombas Centrífugas

As bombas centrífugas (Figura 2.9) são também conhecidas como bombas roto-

dinâmicas, porque usam a energia cinética da rotação para movimentar o fluido. São

máquinas simples compostas por duas partes básicas, o elemento rotativo ou o rotor e o

elemento estacionário ou a carcaça.

Figura 2.9 – Bomba centrífuga (adaptada de [14]).

A energia para movimentar o fluido é transmitida continuamente quando este

passa pelo interior da bomba. Essa transmissão é conseguida pelo movimento do



principal elemento que é o eixo, que consiste num rotor com pás que impulsionam o

fluido. O processo de transferência de energia é realizado em duas etapas, na primeira a

rotação do rotor faz o crescimento da energia cinética. E por fim, quando fluido passa

pelos vários canais a energia cinética é convertida em energia de pressão [15].

As bombas centrífugas são recomendadas para situações em que seja necessário

mover relativamente grandes volumes de fluido a pequenas alturas. Estas bombas são

comuns no mercado e podem ser encontradas em três diferentes tipos que são: verticais,

multi-estágios e dupla sucção.

As bombas centrífugas podem ser classificadas mediante as condições em que

operam, ou seja podem ser superficiais ou submersas. As bombas superficiais são muito

comuns para bombeamento de água superficial e são apetecíveis pelo baixo custo e pela

facilidade de manutenção. Apesar de serem de longa durabilidade são menos eficientes

quando comparadas com as bombas submersíveis. Na Figura 2.10 é possível visualizar

algumas bombas centrífugas superficiais.

Figura 2.10 – Algumas bombas de água centrífugas superficiais.

As bombas submersíveis são muito comuns no meio industrial, por esse motivo

existe uma grande variedade de modelos no mercado. As bombas submersíveis são mais

eficientes no bombeamento, quando comparadas com as superficiais como foi referido

anteriormente [16]. Na Figura 2.11 é possível visualizar algumas bombas centrífugas

submersíveis. Estas bombas são normalmente usadas para bombear água que se

encontra debaixo da superfície ou num poço.

Figura 2.11 – Algumas bombas de água centrífugas submersíveis.

2.2.3. Bombas de Deslocamento Positivo

Bombas de deslocamento positivo são também conhecidas como bombas

volumétricas, dado que, fazem o fluido movimentar-se isolando um volume deste e à



posteriori aplicando uma força deslocando o volume para a saída. O seu princípio de

funcionamento é completamente diferente das bombas roto-dinâmicas, nomeadamente

no que se refere a velocidade. As bombas de deslocamento positivo funcionam em

velocidades baixas quando comparadas com as centrífugas, e não dependem dela para o

desenvolver a pressão. Ou seja, elas conseguem mover o fluido para a saída a qualquer

velocidade [16].

As bombas de deslocamento consistem em um ou mais cilindros, em que cada um

contém um pistão ou êmbolo. São estes os elementos responsáveis pelo deslocamento

dos fluídos. O seu princípio de funcionamento é baseado no movimento das

engrenagens. A engrenagem interna desloca-se em relação à engrenagem externa o

rotor, isto é, a engrenagem interna gira excentricamente ao eixo da bomba As pressões

desenvolvidas por este tipo de bombas de água tendem a ser muito elevadas quando

comparadas com as dimensões físicas da bomba [16]. Estas bombas de água estão

divididas em dois grandes grupos as de deslocamento positivo rotativas e as

alternativas.

As bombas de deslocamento positivo rotativas (Figura 2.12), como o próprio

nome refere, conseguem movimentar o líquido recorrendo ao princípio da rotação. O

rotor da bomba provoca uma camara de sucção à entrada, deste modo possibilitando a

admissão do fluido que é movido continuamente até a saída pelo movimento de rotação.

Estas bombas são usadas em líquidos de qualquer viscosidade. As bombas de água de

deslocamento positivo rotativas subdividem-se em três grupos: de engrenagens, de

parafuso, e de pás rotativas [16].

Figura 2.12 – Bombas de água de deslocamento positivo rotativas.

Ao contrário das bombas rotativas estas conseguem movimentar o fluido graças

ao movimento oscilante dos pistões ou êmbolos, ou de uma membrana flexível. Estas

bombas são caracterizadas consoante o número de cilindros que variam de um a nove.

Operam a velocidades relativamente baixas e podem ser usadas para líquidos com muita

Bomba de engrenagens Bomba de parafusos Bomba de pás rotativas



viscosidade. As bombas de êmbolo, de diafragma e de pistão (Figura 2.13) são

categorias das bombas de deslocamento positivo alternativas [16].

Figura 2.13 – Bombas de água de deslocamento positivo alternativas.

2.2.4. Critérios de Seleção de Bombas de Água

No mercado é possível encontrar vários modelos e tamanhos de bombas para

diferentes aplicações. Mas antes de escolher uma bomba é necessário ter em

consideração as suas características e as condições de operação. Os principais aspetos a

ter em conta são a altura de elevação, o fluxo de água pretendido e as características da

tensão de alimentação disponível (tensão contínua, alternada monofásica ou trifásica).

Outro critério de seleção é dado pela sua curva característica, que representa a

relação entre a altura manométrica1 e o fluxo de água. Através dela é possível analisar o

funcionamento da bomba para as diferentes alturas e fluxos. Esta curva é fornecida pelo

fabricante. O exemplo de uma curva característica de uma bomba de água pode ser visto

na Figura 2.14.

Figura 2.14 – Curva característica da bomba.

1 Altura manométrica é a energia por unidade de peso que o sistema transfere para o fluido para o

mover de um ponto para o outro com um determinado caudal. Esta energia é fornecida pela bomba e é o parâmetro fundamental para a seleção da mesma.

Bomba de êmbolo Bomba de diafragma Bomba de pistão



A maior parte das bombas encontradas no mercado são alimentadas por motores

de corrente alternada. Os motores mais usados são os de indução por várias razões entre

as quais a robustez, o baixo custo e por necessitarem de pouca manutenção. Estas

características vão de acordo com os objetivos do sistema de bombagem proposto, que

passam por uma solução robusta e de baixo custo. Por esses motivos foi escolhida uma

bomba de água alimentada por um motor de indução trifásico (230V/50Hz).

2.3. Sistemas Solares Fotovoltaicos

Atualmente existem muitas povoações espalhadas pelos vários continentes que

residem em locais isolados sem acesso à rede elétrica. Em muitos casos esta situação é

mitigada recorrendo a sistemas de geração de energia com base em fontes de energia

renováveis, nomeadamente solar, eólica, biomassa entre outras formas. Em zonas

desérticas e áridas em que o vento escasseia e com poucos ou nenhuns recursos, a

solução é usar a energia solar como fonte de energia elétrica usando painéis solares

fotovoltaicos.

A captação da energia solar é o processo que visa aproveitar as radiações solares

ou os feixes luminosos e transforma-los em outras formas de energia, geralmente em

energia elétrica ou térmica. A energia solar tem sido usada pelos homens durante

séculos para variados fins. Esta energia também é usada pelas plantas no processo da

fotossíntese das plantas e pelos animais, na obtenção de vitamina D [17].

A energia gerada pelo sol é inesgotável, e convém lembrar que, o sol é a fonte de

luz e de vida na Terra, e de certa forma responsável por outras fontes de energia

renováveis nomeadamente a biomassa (fotossíntese), energia hidráulica (evaporação da

água) e energia eólica (ventos). O sol brilha há mais de 5 biliões de anos e estima-se que

assim continue por mais 6 biliões de anos. Baseando-se em cálculos, os cientistas da

WMO (World Meteorological Organization) preveem que o sol, lançará 4000 vezes

mais energia do que aquela que consumiremos. Com esta realidade seria irracional não

aproveitar esta fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita. O destino da radiação

solar que incide sobre a Terra está representado na Figura 2.15.



Figura 2.15 – Destino final da radiação solar que incide sobre a Terra [17], [18].

2.3.1. Distribuição da Energia Solar

A energia solar tem um elevado potencial ao longo do globo e pode ser

aproveitada em diferentes taxas consoante a localização geográfica, logo quanto mais

próximo do equador estiverem os equipamentos de captação maior será a taxa de

aproveitamento da energia. Na Figura 2.16 é apresentada a distribuição da energia solar

pelo planeta.

Figura 2.16 – Distribuição da energia solar pelo planeta, marcada com pontos nos locais com maior taxa

de aproveitamento da radiação solar [19].

Importa realçar que os desertos próximos do equador como o do Sahara, se

encontram em zonas mais favoráveis no que diz respeito a captação da energia solar.

Enquanto as zonas desérticas mais afastadas da linha do equador e próximas de países

como Alemanha ou Estados Unidos de América, é necessário usar técnicas mais



sofisticadas para captar a energia solar, dado que têm menos exposição solar durante o

ano.

As principais zonas com problemas de escassez de água potável devido a falta de

energia elétrica para bombagem de água, encontram-se localizadas em locais com maior

exposição à radiação solar, tal como os países da África subsariana.

Sendo a energia solar é abundante nestas regiões, a maioria dos projetos

implementados para minorar os problemas de acesso a água potável e outros

relacionados com a falta de energia elétrica, recorrem a sistemas de geração de energia

solares fotovoltaicos.

2.3.2. Aproveitamento da Energia Solar

A energia solar pode ser aproveitada de variadas formas que se podem subdividir

em dois grupos, o método direto e o indireto. O método direto converte de forma direta

a energia solar em outra forma de energia ou seja, a energia solar passa por um único

processo de transformação para torna-la noutra forma de energia que pode ser energia

elétrica ou energia térmica. Como exemplo de transformação direta pode-se referir a

transformação da energia solar em energia elétrica, onde a radiação solar que incide

sobre uma célula fotovoltaica é convertida diretamente em energia elétrica. Como

exemplo de transformação indireta pode-se referir os sistemas solares térmicos, onde os

raios solares incidem sobre uma superfície escura gerando calor produzindo assim

energia térmica.

Ao contrário do método direto, no indireto são necessárias mais do que uma

transformação da energia solar para torna-la num modo de energia reutilizável pelo

homem.

Na Figura 2.17 estão representados os diversos métodos ou processos de

conversão de energia solar em outras formas reutilizáveis pelo homem. Pode-se

constatar que a energia solar ativa é a que mais se destaca pois as tecnologias que lhe

estão associadas são mais desenvolvidas, aproveitando de forma mais eficaz a radiação

solar. Enquanto a energia solar passiva aproveita diretamente a energia solar sem

necessitar de um processo intermédio de conversão da energia solar, como acontece na

ventilação e iluminação natural.



Figura 2.17 – Processos de Conversão da Energia Solar.

2.3.3. Células Fotovoltaicas

As células fotovoltaicas constituintes dos painéis solares fotovoltaicos são

responsáveis pela transformação da energia solar em eletricidade. Essa transformação só

é conseguida graças a um material semiconductor. O material semicondutor

comummente usado é o silício que é produzido de modo a ter duas camadas, uma

positiva e outra negativa. Quando o material semicondutor está sob efeito da radiação

solar, a energia dos fotões incidentes é transferida para o material libertando eletrões

que dão origem a uma diferença de potencial nas extremidades do semicondutor. A este

efeito dá-se o nome de efeito fotovoltaico. Este efeito foi descoberto por Alexandre-

Edmond Becquerel em 1839, contudo só em 1954 surgiram as primeiras células

fotovoltaicas, quando foram descobertas as propriedades fotovoltaicas dos transístores

de silício nos laboratórios Bell [20].

Na Figura 2.18 pode-se ver a estrutura de uma célula fotovoltaica, elemento mais

pequeno de um sistema solar fotovoltaico. Cada célula tem capacidade de produzir

potências na ordem dos 1,5 W o que corresponde a uma corrente de saída de 3 A e uma

tensão de 0,5 V.

Energia Solar

Activa

Energia Solar

Passiva

Ventilação

NaturalIluminação

Energia Solar

Energia Solar

Térmica

Energia Solar

Eléctrica

Colectores de

Baixa

Temperatura

Sistemas de

Tremofissão

Sistemas de

Circulação

Forçada

Conversão

Termoelectrica

Directa

Conversão

Termoelectrica

Indirecta

Torres de

Energia Solar

Colectrores de

Disco Stirling

Colectores

Concentrados

Parabólicos

Trough

Colectrores

Fresnel

Conversão

Fotoeléctrica

Células

Fotovoltaicas



Figura 2.18 – Elementos da célula fotovoltaica (adaptada de [21]).

As células fotovoltaicas são montadas em conjunto criando um módulo

fotovoltaico, e um conjunto desses módulos gera um painel fotovoltaico que por sua vez

montados em conjunto criam um sistema de painéis solares fotovoltaicos como mostra a

Figura 2.19.

Figura 2.19 – Sistemas Fotovoltaico (adaptada de [21]).

Apesar das vantagens da utilização das energias renováveis, em particular os

sistemas solares fotovoltaicos importa salientar que os painéis fotovoltaicos têm um

rendimento muito baixo. O rendimento ou eficiência de um painel solar é a percentagem

de energia convertida, radiação solar absorvida convertida em energia elétrica, quando

ligada a um circuito elétrico.

Os painéis solares fotovoltaicos disponíveis no mercado apresentam um

rendimento máximo de 23%. Isto significa que 77% da energia que atinge o painel não é



utilizada, e os 23% capturados não são totalmente aproveitados pelo circuito ao qual o

painel está ligado [21].

Para o projeto e dimensionamento dos sistemas elétricos interessam

essencialmente as características elétricas dos painéis solares, que genericamente são: a

potência máxima, a corrente e tensão no ponto de máxima potência, a tensão de circuito

aberto e a corrente de curto-circuito.

A corrente de curto-circuito é a intensidade máxima que se pode obter de um

painel solar com uma resistência nula, sendo assim a diferença de potencial será nula.

Esta corrente é diretamente proporcional à radiação solar, e também é dependente da

temperatura da célula. A tensão de circuito aberto é a tensão máxima que se obtém aos

terminais do painel quando este não está ligado a nenhum circuito elétrico. Também

dependente da temperatura como a corrente-circuito, como se pode verificar na

Figura 2.20.

Figura 2.20 – Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito em função da radiação solar

(adaptada de [20]).

A potência de um painel resulta do produto entre a corrente e a tensão aos seus

terminais. Se for calculada a potência ponto a ponto obtêm-se a curva de potência

ilustrada na Figura 2.21. Pode-se observar que no ponto de corrente máxima, corrente

de curto-circuito, a potência é nula, o mesmo acontece quando a tensão de circuito está

no ponto máximo, tensão de circuito aberto. Entre os dois pontos de potência zero,

combinando a tensão e a corrente encontra-se o ponto de máxima potência, e a tensão e

corrente correspondente a esse ponto de máxima potência. Importa salientar que a curva

da potência varia consoante as condições atmosféricas uma vez que ela é diretamente

proporcional à corrente e à tensão, ambas dependentes da temperatura.



Figura 2.21 – Curva de potência e o ponto de máxima potência (adaptada de [20]).

2.3.4. Tipos de Células Fotovoltaicas

Os painéis solares fotovoltaicos são constituídos na sua maioria de células

fotovoltaicas fabricadas usando o silício na sua maioria, mas existem também células

fotovoltaicas produzidas com outos materiais. De seguida são descritas algumas das

tecnologias de células mais comuns no mercado.

Silício Monocristalino

Representam a primeira geração das células fotovoltaicas pelo facto de terem sido as

primeiras a serem produzidas, e também são as mais usadas e comercializadas atualmente.

As células de silício usam este material semicondutor baseado na junção p-n, que é

responsável pela conversão da radiação solar em eletricidade. As técnicas utilizadas no

processo de produção são complexas, uma vez que é fundamental garantir que os materiais

ficam em estado puro e com uma estrutura cristalina perfeita. Esta técnica é muito

dispendiosa dada a quantidade de energia necessária durante os processos de produção.

Normalmente as células fotovoltaicos são produzidas em grandes folhas que posteriormente

são cortadas no tamanho e forma desejadas para a célula, cada módulo possui várias células

individuais de silício [20].

As células fotovoltaicas de silício monocristalino além do seu rendimento elétrico que

é relativamente elevado (aproximadamente de 15% e de 23% em laboratório), são mais

recomendadas por serem de longa duração dado que degradam-se lentamente.

Silício Policristalino

Tal como as células fotovoltaicas de silício monocristalino, as células de silício

policristalino também pertencem à primeira geração de células fotovoltaicas. O processo de

produção é muito similar ao das células de silício monocristalinas mas menos rigoroso.



Neste caso não são produzidas células de grandes dimensões mas sim várias células

pequenas. Uma célula policristalina é formada por pequenos cristais de silício com uma

aparência que se assemelha a um material de vidro estilhaçado [20].

Em comparação com as células monocristalinas as células policristalinas são mais

económicas devido ao custo de produção que é relativamente inferior. Porém, apresentam

um rendimento elétrico baixo na ordem dos 11 e 13%. Em laboratório este rendimento pode

chegar até os 18%.

Silício Amorfo

As células de silício amorfo também conhecidas como filmes finos2, fazem parte

das células fotovoltaicas de segunda geração que entraram no mercado na década de 70.

As células de silício amorfo são bastante diferentes das outras duas tecnologias

anteriormente apresentadas, pois nestas células o material não possui estrutura

cristalina. O processo de fabrico é de baixo custo e versátil, segundo os autores do livro

Photovoltaic Solar Energy Generation é possível afirmar que o mesmo é energicamente

mais eficiente em comparação com a produção de células de silício monocristalino e

policristalino [20].

Os filmes finos por sua vez são de baixo custo em comparação com as outras

células de silício, e em contrapartida apresentam um rendimento energético muito baixo

aproximadamente na ordem de 8 a 10%. Porém em laboratório podem chegar aos 13%.

Telureto de Cadmio

As células fotovoltaicas produzidas em telureto de cadmio representam a segunda

geração da tecnologia baseada em filmes finos, e é de salientar que têm sido usadas há

mais de uma década em aplicações de baixa potência. Atualmente são produzidos

módulos solares de grandes áreas utilizando o semicondutor químico telureto de cadmio

cuja fórmula química é descrita pela expressão: CdTe. As células de telureto de cadmio

são concorrentes diretas das células de silício amorfo, e são mais sugeridas pelo facto de

apresentarem uma relação custo-rendimento bastante aceitável do ponto de vista

financeiro. Além da vantagem anteriormente citada existem dois aspetos a considerar, a

toxidade e a pouca abundancia dos elementos envolvidos, são aspetos a ter em conta

quando se pretende quantidades significativas de produção [20].

2 Filme fino é um determinado material cuja espessura é muito fina e pode variar entre frações de

nanómetro até vários micrómetros.



Os painéis solares desenvolvidos com esta tecnologia atualmente

comercializáveis, apresentam um rendimento energético na ordem dos 7 a 9%, já em

ambiente de laboratório foram produzidas células com rendimento na ordem dos

16% [20].

CIGS

Estas células são da terceira geração baseadas na tecnologia dos filmes finos cujo

material semicondutor é composto por cobre, índio, gálio e selénio daí se denominarem

por CIGS.

Ao contrário das células fotovoltaicas de silício que são baseadas numa junção p-n

do mesmo semicondutor o silício, as células CIGS são feitas com camadas ultrafinas de

diferentes semicondutores. O semicondutor é o Selenito de Cobre-Índio-Gálio cuja

fórmula química é Cu(In,Ga)S .

A tecnologia dos filmes finos é economicamente competitiva uma vez que os

materiais usados são comuns e apresentam uma alta eficiência, por este motivo

atualmente é uma tecnologia alvo de investigação e desenvolvimento em diversos

laboratórios. Já foi possível produzir células fotovoltaicas CIGS com um rendimento

energético de 19,9% em laboratório [22].

2.4. Conversores Eletrónicos e MPPT’s para Sistemas Fotovoltaicos

Um sistema de bombagem é composto por três elementos principais, a fonte de

energia, a bomba de água e o conversor eletrónico. Para o sistema em causa foi

escolhida como fonte de energia elétrica para alimentar e bomba, a energia solar

fotovoltaica. A bomba para bombear a água é constituída por um motor de indução

trifásico, assim sendo o conversor eletrónico tem como função adequar a energia

elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos para às condições nominais de operação

da bomba.

O conversor eletrónico tem que possuir um conversor CC-CA para o motor

trifásico (230V/50Hz), visto que a energia elétrica produzida pelos painéis fotovoltaicos

é de corrente contínua. Sendo um dos objetivos ser um sistema de baixa potência

aproximadamente 1000W, associando 7 painéis BP 2150S de (150W e 34V) em série

consegue-se uma potência de 1050W e 238V de tensão.

A saída do gerador fotovoltaico está disponível uma tensão aproximadamente de

238V, sendo necessária à entrada do conversor CC-CA uma tensão cerca de 380V (para

que depois de invertida tenha os níveis nominais para alimentar o motor) é necessário



um conversor do tipo CC-CC elevador de tensão comummente denominados por boost

ou step-up.

O inversor converte a tensão CC à saída do conversor CC-CC num sistema

trifásico de tensões para alimentar o motor da bomba de água.

Na Figura 2.22 é apresentado um diagrama de bolcos representativo da topologia

descrita. É necessário salientar que este sistema é direto, ou seja sem armazenamento

intermédio da energia em baterias.

Figura 2.22 – Diagrama de blocos do sistema proposto.

Nas secções seguintes serão abordados com algum pormenor os conversores

eletrónicos e os respetivos algoritmos de controlo.

2.4.1. Conversor CC-CC do tipo Boost

Como refere o nome deste conversor este circuito eleva a tensão de corrente

contínua de entrada de modo que a tensão à saída é sempre maior que a entrada. Na

Figura 2.23 é apresentado o circuito elétrico deste tipo de conversor.

Figura 2.23 – Esquemático de um conversor CC-CC elevador de tensão Boost.

O seu princípio de funcionamento é simples. Quando o interruptor está ligado o

díodo fica polarizado inversamente e a indutância acumula energia fornecida pela fonte,

quando o interruptor é desligado a carga é alimentada pela energia da fonte e da

indutância. O condensador serve para estabilizar o nível de tensão à saída ao longo do

tempo para que ( ) [23].

O valor da tensão de saída do conversor CC-CC tem que ser controlado para que

esteja nos níveis desejados, isso é conseguido controlando o interruptor (S). Ao ligar e

desligar o interruptor é possível controlar o valor médio da tensão de saída. Aplicando

uma frequência constante e ajustando os tempos em que o interruptor permanece ligado

Gerador

fotovoltaico

CC

CC

CC

CA

Motor

Svd

L

C R

D

vo

-

+id

iD io

ic+ vL -

iL

Legenda

vd -Tensão de entrada

id - Corrente de entrada

vL - Tensão na indutância

iL - Corrente na induntância

iC - Corrente no condensador

vd - Tensão de saída

id - Corrente de saída



ou desligado é possível controlar a tensão de saída, este método é conhecido como

PWM (Pulse-Width Modulation).

O PWM é uma técnica muito usada no controlo digital dos circuitos eletrónicos.

Um método comum de implementação desta técnica de largura de impulsos consiste, na

comparação de um sinal de referência com uma onda triangular (portadora) com uma

frequência elevada, resultando pulsos com duty-cycle variável conforme mostra a

Figura 2.24.

Figura 2.24 – Técnica de comutação PWM.

O conversor step-up tem dois modos de funcionamento que estão diretamente

relacionados com o valor da corrente da indutância (L): o modo de condução contínua e

o modo de condução descontínua. No modo de condução contínua a corrente da

indutância nunca vai a zero, ao contrário do modo de condução descontínua em que a

corrente na indutância vai a zero. De seguida são descritos estes dois modos de

funcionamento do conversor.

Modo de Condução Contínua

No modo de condução contínua a corrente na indutância nunca se anula, ou seja,

flui continuamente. Por cada período ( ) o conversor funciona em dois estados de

funcionamento, o estado ligado ( ) e desligado ( ) do interruptor. A Figura 2.25

mostra as formas de onda da corrente na indutância e os estados de funcionamento do

conversor [23].

Portadora

Duty-cycle

Triangular

Referência

Duty-cycleComparador

+

-



Figura 2.25 – Modo de condução contínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na indutância;

(b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor.

Na figura acima está representada um período ( ) de operação do conversor,

divido por dois estados o ligado ( ) e o desligado ( ).

(2.1) Em regime permanente o integral da tensão na indutância por um período é zero,

observando Figura 2.25 a) logo:

( ) (2.2)

Sabendo que a relação entre o valor da tensão à entrada ( ) e a tensão de saída

( ) é dependente do valor do duty-cycle (D3), cuja expressão pode ser expressa nos

dois estados on e off pelas equações (2.3) e (2.4) respetivamente.

(2.3)

(2.4)

Substituindo as equações do duty-cycle na equação (2.2) e reorganizando os

termos obtém-se a seguinte equação:

(2.5)

Admitindo que não há perdas a potência de entrada é igual à potência de saída

logo:

(2.6)

3 D – este serve para denominar o duty-cycle, não está relacionado com o D que representa o díodo na Figura 2.23.

(vd)

(vd–vo)t

vL

t

iL

Ts

ton toff

Svd

L

C R

D

vo

-

+

iD io

ic+ vL -

iL

Svd

L

C R

D

vo

-

+

iD io

ic+ vL -

iL

(a)

(b)

(c)

id

id



Sendo assim a relação entre a corrente de entrada ( ) e a corrente de saída ( ) é

dada pela seguinte equação: ( ) (2.7)

Limite Entre os Modos de Condução Contínua e Descontínua

No ponto limite entre os modos de condução contínua e descontínua, a corrente na

indutância vai a zero no final de cada período de comutação, como ilustra a Figura 2.26.

Figura 2.26 – Limite entre os modos de condução contínua e descontínua.

Observando a Figura 2.26 é possível determinar o valor médio da corrente na

indutância, que é dado por:

(2.8)

Usando a equação (2.5) na equação (2.8) obtêm-se:

( ) (2.9)

Uma vez que a corrente na indutância têm o mesmo valor da corrente da entrada

( ), e usando as equações (2.7) e (2.9), verifica-se que no limite do modo de

condução contínua o valor médio da corrente de saída é dado pela seguinte expressão:

( ) (2.10)

Sabendo que a corrente de saída pode ser expressa pela equação (2.11):

(2.11)

E o período ( ) de operação do conversor pela expressão seguinte:

(2.12)

vL

t

Ts

ton toff

iLmax

iL

IL=ILB

0



Substituindo as equações (2.10) e (2.11) na equação (2.12) é possível determinar a

expressão que determina o cálculo do valor mínimo da indutância, que é dado pela

equação (2.13).

( )

(2.13)

Modo de Condução Descontínua

O modo de condução descontínuo diferencia-se do modo contínuo pelo facto de a

corrente na indutância anular-se, ou seja vai a zero durante alguns instantes de tempo.

Como se pode ver na Figura 2.27 neste modo a corrente na indutância possui três

estados, no início quando o interruptor está ligado a corrente cresce até ao valor de pico.

Quando o interruptor é desligado a corrente decresce até zero e fica durante alguns

instantes nesse estado até que volta a crescer quando o interruptor é ligado no próximo

ciclo [23].

Figura 2.27 – Modo de condução descontínua: (a) Formas de onda da corrente e tensão na indutância;

(b) Estado on do interruptor; (c) Estado off do interruptor; (d) Modo de condução descontínua.

A condição de descontinuidade ocorre quando a potência de saída baixa,

consequentemente a corrente na indutância baixa, para uma tensão de entrada constante.

Igualando o integral da tensão na indutância por um período a zero têm-se:

( ) (2.14)

Resolvendo a equação (2.14) determina-se a relação entre a tensão de saída e a

tensão de entrada que é dada pela equação (2.15):

(vd)

(vd–vo)

t

vL

iL

Ts

ΔTs Δ1Ts Δ2Ts

Svd

L

C R

D

vo

-

+

iD io

ic+ vL -

iL

Svd

L

C R

D

vo

-

+

iD io

ic+ vL -

iL

(b)

(c)

id

id

Svd

L

C R

D

vo

-

+

iD io

ic+ vL -

iL

(d)

id

(a)

t



(2.15)

Admitindo que não há perdas, ou seja a potência de entrada é igual a potência de

saída, é possível determinar relação entre a corrente de entrada e saída:

(2.16)

O valor médio da corrente na indutância é igual a corrente de entrada:

( ) (2.17)

Substituindo o valor de (equação (2.17)) na equação (2.16) é possível

simplifica-la para:

(

) (2.18)

Num circuito prático do conversor boost que opera em modo de condução

descontínua, se a tensão de saída ( ) não for controlada por cada período de comutação

é transferida para a carga uma quantidade de energia determinada pela equação (2.19).

Se essa energia não for consumida pela carga a tensão no condensador cresce até que

haja equilíbrio da energia transferida. O crescimento da tensão no condensador pode

danifica-lo, caso a tensão aplicada aos seus terminais crescer demais [23].

( )

(2.19)

Na Figura 2.28 é possível verificar o duty-cycle em função da relação entre a

corrente de entrada e a corrente máxima da indutância (

) para diferentes valores da

relação entre a tensão de entrada e de saída (

). O tracejado representa o limite entre ao

modo de condução descontínua e contínua [23].

Figura 2.28 – Características do conversor boost para a tensão de saída constante (adaptada de [23]).



Ripple da Tensão de Saída

A tensão de saída do conversor boost apresenta um ripple de tensão que pode

variar consoante as aplicações, e é dependente do valor do condensador. Na Figura 2.29

está representado o valor da tensão pico-a-pico e a variação da carga ( ) no

condensador (C).

Figura 2.29 – Ripple da tensão de saída do conversor boost.

Deste modo, é possível determinar a equação que determina o valor do ripple da

tensão de saída (equação (2.20)). O valor do condensador é calculado após determinar

se determinar o ripple desejado (equação (2.21)).

(2.20)

( ) (2.21)

2.4.2. Algoritmos de MPPT

Os sistemas solares apresentam duas grandes desvantagens para além da

linearidade quando comparadas com as outras fontes de energia, a baixa taxa de

conversão das células fotovoltaicas e o elevado custo dos painéis fotovoltaicos. Deste

modo para obter o máximo rendimento dos painéis é necessário que eles operem o

maior tempo possível no seu ponto de potência máxima.

A variação das condições atmosféricas ou da carga ligada ao sistema fotovoltaico

têm efeito no ponto de potência máxima, sendo necessário um algoritmo de controlo

t

vo

vo

Δvo

DTs (1-D)Ts

tton toff

id = io

ΔQ

ΔQ

ΔQ

ΔQ



dinâmico que procure sempre o ponto de máxima potência. Esse algoritmo de controlo é

conhecido como Maximum Power Point Tracking (MPPT4).

A quantidade de energia produzida pelos painéis fotovoltaicos é dependente das

condições meteorológicas fazendo com que a saída não seja linear. Esta é conhecida

como a curva I-V. A curva I-V é uma característica dos painéis fotovoltaicos, e a partir

dela é possível determinar a curva P-V como foi explicado em 2.3.3.

O desenvolvimento da indústria fotovoltaica impulsionou o desenvolvimento dos

algoritmos de MPPT. Atualmente existem vários algoritmos que são modificados para

as diferentes situações em que são aplicados. De entre os vários algoritmos conhecidos

os mais utilizados são: tensão constante, corrente constante, perturbação e observação

(P&O) e condutância incremental (IC). De seguida serão apresentados os dois

algoritmos de MPPT que apresentam melhor desempenho [24].

Perturbação e Observação (P&O)

Este é o método de procura do ponto de máxima potência também conhecido

como Hill Climbing, é o mais usado por ser de fácil implementação. Consiste

basicamente num sistema de controlo do tipo tentativa-erro da potência produzida pelos

painéis.

O seu funcionamento consiste em periodicamente perturbar (alterar) o valor da

variável de referência que origina a alteração do duty-cycle que é aplicado ao conversor,

que por sua vez altera a potência produzida pelos painéis fotovoltaicos. Sempre que o

duty-cycle é alterado calcula-se um novo valor de potência que é comparado com o

valor obtido anteriormente. Se a potência aumentar depois da alteração do duty-cycle no

ciclo seguinte será alterado na mesma direção, caso ela diminua o duty-cycle será

alterado em sentido oposto [24]. Na Figura 2.30 apresenta-se o fluxograma que descreve

este algoritmo.

Este método é de fácil implementação porém apresenta algumas desvantagens, a

principal é de não operar no ponto de máxima potência mas sim oscilar em volta dele

devido ao método de tentativa-erro do seu princípio de funcionamento, desse modo não

aproveitando toda a energia produzida pelos painéis. Pode fracassar a busca do ponto de

potência máxima se houverem mudanças bruscas das condições atmosféricas.

Outro aspeto importante a ter em conta no algoritmo de P&O é o valor da

perturbação ( ) que se aplica à variável de referência, pois esta determina a precisão e 4 Os algoritmos de MPPT não só usados em sistemas solares fotovoltaicos, são também usados

para melhorar o desempenho de outras fontes não lineares.



a velocidade com que o sistema converge para o ponto de máxima potência. Com uma

maior perturbação o sistema converge rápido para o ponto de máxima potência porém,

origina maiores oscilações em torno dele, o que reduz a eficácia do sistema devido ao

erro que é maior. Uma menor perturbação aumenta a eficácia por ter um erro menor em

relação ao ponto de máxima potência, porém faz com que o sistema seja mais lento.

Deste modo é necessário adequar o algoritmo para o sistema em que vai ser

empregue [24].

Figura 2.30 – Fluxograma do método de perturbação e observação (P&O).

Condutância Incremental (IC)

Este é um método que se baseia na condutância do painel, ou seja, no facto de a

derivada da potência de saída do painel em relação à tensão ser zero no ponto de

máxima potência. A equação (2.22) representa o valor de potência de saída dos painéis

solares [25]:

(2.22)

Igualando

a zero têm-se:

P(k) = V(k) * I(k)

ΔP = P(k) - P(k-1)

ΔV = V(k) - V(k-1)

ΔP > 0

ΔV > 0 ΔV > 0

Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV

V(k-1) = V(k)

P(k-1) = P(k)

Retoma

SimNão

SimNãoSimNão

Inicio

Ler V(k) e I(k)



(2.23)

Logo, sabe-se que:

{

(2.24)

Na Figura 2.31 apresenta-se o fluxograma que descreve este algoritmo.

Figura 2.31 – Fluxograma do método de condutância incremental (IC).

O seu princípio de funcionamento é similar ao método de P&O, pois o método de

procura do ponto de máxima potência é por tentativas, na medida em que é

periodicamente ajustada a variável de referência com vista a encontrar o ponto em que

, como se pode ver na Figura 2.31. A cada instante o sistema pode operar à

esquerda ou à direita do ponto de máxima potência, e alterando o valor da variável de

dI = I(k) - I(k-1)

dV = V(k) - V(k-1)

dV = 0

dI/dV = -I/V dI = 0

Vref = Vref + ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref - ΔV Vref = Vref + ΔV

V(k-1) = V(k)

I(k-1) = I(k)

Retoma

SImNão

Inicio

Ler V(k) e I(k)

dI/dV = -I/V dI/dV = -I/V

SimSim

Não Não

Sim Não Não Sim



referência o sistema converge para o ponto de máxima potência. O valor da perturbação

aplicado à variável de referência é um elemento preponderante para o bom

funcionamento do algoritmo e tem que ser cuidadosamente dimensionado [25].

Ao contrário do método P&O este opera no ponto de potência máxima e não

oscila em torno deste, o que se traduz num erro menor em regime permanente. Além

disso com este algoritmo é possível atingir o ponto de máxima potência em condições

climatéricas instáveis. Importa salientar que apesar de se dizer que este método opera no

ponto de máxima potência na prática isso não é exequível, uma vez que este valor

sempre sofre algumas alterações por mais pequenas que sejam. e que fazem com que

oscile em volta do ponto de máxima potência [25].

2.4.3. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico

O inversor trifásico é um conversor CC-CA, é um circuito eletrónico que converte

uma grandeza elétrica contínua numa grandeza elétrica alternada, onde a amplitude e a

frequência são controladas. As grandezas elétricas em corrente alternada são necessárias

em várias aplicações como em filtros ativos de potência, sistemas fotovoltaicos de

ligação à rede elétrica ou ainda em sistemas fotovoltaicos de bombagem de água que é

caso do projeto a ser implementado nesta dissertação. Os inversores podem ser

considerados como VSI (Voltage Source Inverter) ou CSI (Current Source Inverter)

tendo em conta a forma de onda à saída, que podem ser monofásicos ou trifásicos [26].

Um inversor trifásico de tensão é um conversor estático que permite impor na

saída um sistema de tensões variáveis no tempo a partir de uma tensão contínua obtida à

entrada. É constituído por três braços de interruptores em meia ponte que operam

complementarmente. É utilizado em aplicações de média e alta potência ao contrário

dos inversores monofásicos que são usados para aplicações de baixa potência.

O inversor trifásico parte do princípio que cada braço corresponde a um inversor

monofásico como se pode ver na Figura 2.32. Os sinais de comando de cada inversor

monofásico devem estar desfasados 120º um em relação ao outro, para que se obtenha

um sistema trifásico equilibrado à saída. Os interruptores de cada braço operam

complementarmente, e cada interruptor é mantido ligado durante 180º e a cada 60º

ocorre uma comutação.



Figura 2.32 – Esquemático de um conversor CC-CA inversor trifásico.

Para gerar um sistema trifásico a saída do inversor são necessários oito estados

que são conseguidos alternando o tempo de operação dos interruptores como se pode

ver na Tabela 2.1. Dos oito estados válidos dois produzem tensão nula a saída, e nos

restantes é produzida uma tensão diferente de zero. Com a finalidade de gerar a tensão

alternada na sua saída o inversor passa de um estado para o outro e os valores da tensão

alternada discretos varia ente , 0 e . A técnica de modulação é a responsável por

assegurar apenas os oito estados válidos e a transição de um para o outro [26].

Tabela 2.1 – Estados válidos do inversor de tensão trifásico.

Estado On Off

1 S1,S2,S6 S3,S4,S5 0

2 S1,S2,S3 S4,S5,S6 0

3 S2,S3,S4 S1,S5,S6 0

4 S3,S4,S5 S1,S2,S6 0

5 S4,S5,S6 S1,S2,S3 0

6 S1,S5,S6 S2,S3,S4 0

7 S1,S3,S5 S2,S4,S6 0 0 0

8 S2,S4,S6 S1,S3,S5 0 0 0

2.4.4. Técnica de Modulação PWM

O algoritmo de controlo usado no comando dos interruptores do inversor de

tensão trifásico é conhecido por técnica de modulação. As técnicas de modulação mais

usadas são a PWM e a SVM (Space Vector Modulation).

S2

S1 S3

S4

S5

S6

Vi

a

bc

D1

D2

D3

D4

D5

D6

ia

Vab

Vbc

Vca

ic

ib



A base de funcionamento da modulação PWM foi abordada em 2.4.1, e sabe-se

que com esta técnica é possível modular maior parte dos sinais a partir da série de

impulsos de alta frequência gerados por esta técnica. Para gerar o sistema trifásico

equilibrado são necessários três sinais sinusoidais iguais em amplitude e frequência

desfasados 120º entre si, que são comparados com uma onda triangular de frequência

elevada como se pode ver na Figura 2.33. Esta técnica é denominada SPWM

(Sinusoidal Pulse-Width Modulation) [26].

Figura 2.33 – Modulação SPWM: (a) SPWM a portadora e os sinais de referência; (b) Estado do

interruptor S1; (c) Estado do interruptor S3 (adaptada de [26]).

A frequência de comutação dos interruptores do inversor trifásico é definida pela

frequência do sinal da portadora (com amplitude constante e frequência constante

). O sinal de referência ou de controlo ( de amplitude e de frequência) que se

pretende modular à saída do inversor é responsável por modular o duty-cycle aplicado

aos interruptores. A razão da modulação em amplitude é dada pela equação (2.25) e

a razão de modulação em frequência pela equação (2.26) [26].

(2.25)

(2.26)

Usando uma única onda portadora e com vista a preservar as características do

PWM, e necessário que a razão da modulação em frequência seja um múltiplo impar



de três. Deste modo, todas as tensões das fazes ( e )5 serão iguais e

desfasadas 120º, e as harmónicas de frequências múltiplas de três serão idênticas em

amplitude e fase para todas as fases.

Na Figura 2.34 a) esta representada a tensão entre as fases e ( )6, onde é

possível observar a largura dos pulsos, a tensão de entrada , e a tracejado o valor da

tensão alternada à saída . E na Figura 2.34 b) está representado o espectro da tensão

de saída.

Figura 2.34 – Tensão entre fases do inversor trifásico: (a) Tensão alternada de saída ; (b) Espectro da

tensão alternada de saída (adaptada de [26]).

Sabendo que a tensão e corrente são contínuas à entrada do inversor trifásico a

comutação dos interruptores quando este opera, faz com que a corrente na fonte seja

consumida em picos como se pode ver na Figura 2.35.

Figura 2.35 – Corrente no barramento CC: (a) Corrente a entrada do inversor trifásico; (b) Espectro da

corrente a entrada do inversor (adaptada de [26]).

5 e – Tensões trifásicas fase neutro. 6 0,8*0,866 – Representa o valor máximo da amplitude da tensão alternada a saída que é dada

pela fórmula seguinte ̂ √

sabendo que 0 < ≤1.



Na Figura 2.36 estão representadas as formas de onda da corrente alternada numa

fase à saída do inversor nomeadamente a fase , assim como a corrente no interruptor e

no respetivo díodo. É de salientar que quando o interruptor conduz o díodo não e vice-

versa.

Figura 2.36 – Corrente de saída do inversor trifásico: (a) Corrente alternada de saída na fase ;

(b) Corrente no interruptor S1; (c) Corrente no díodo D1 (adaptada de [26]).

2.4.5. Controlo V/F (V/Hz) Constante

O motor de indução ou assíncrono é uma máquina elétrica construída para

transformar energia elétrica em mecânica. Nos motores de indução a transformação é

conseguida graças à indução eletromagnética. Estes motores são muito usados em

diversas aplicações pois são robustos, de baixo custo. A velocidade é controlada pela

variação da frequência da tensão que é aplicada ao motor. Como estes motores são

largamente usados os conversores eletrónicos associados têm-se desenvolvido

muito [27].

O motor de indução trifásico é constituído por duas partes, uma fixa (o estator) e

outra giratória (o rotor). O estator é composto por três enrolamentos (bobinas)

desfasados 120º fisicamente, e o rotor, que pode ser bobinada ou em gaiola de esquilo é

composto por um núcleo ferromagnético e um conjunto de condutores. Quando as

correntes trifásicas circulam pelas bobinas do estator criam um campo magnético

girante no estator, este campo vai induzir correntes no rotor. As correntes que circulam

nos condutores do rotor imersos no campo magnético do estator dão origem a uma força

no sentido do campo girante criando assim o movimento giratório.



A velocidade de sincronismo ( ) é a taxa de rotação do campo magnético girante

criado no estator quando lhe é aplicado uma sistema de tensões trifásicas, e é dada pela

equação (2.27) em rpm (rotações por minuto) [27]:

(2.27)

Onde:

– frequência da tensão de alimentação.

– numero de pares de polos.

A velocidade de rotação do rotor ( ) não é a mesma que a de sincronismo ( ), a

razão entre a diferença entre a velocidade de rotação do rotor e a velocidade de rotação

do campo girante designa-se deslizamento ( ). Na equação (2.28) está representada a

expressão do deslizamento [27].

(2.28)

O binário ( ) desenvolvido pelo motor é uma característica mecânica ou seja, é a

força rotacional que o motor disponibiliza no eixo. A curva característica do binário em

relação a velocidade é representada na Figura 2.37, esta curva é importante para se saber

se o motor é adequado às características mecânicas da carga. É possível notar que

quando a velocidade é nula o motor já desenvolve binário, quando a velocidade vai

aumentando o binário cresce até o seu ponto máximo e depois atinge a zona de perda de

binário e vai a zero quando se atinge a velocidade máxima de rotação.

Figura 2.37 – Curva de binário do motor (adaptada de [27]).

Os métodos de controlo dos motores de indução encontram-se divididos em dois

grandes grupos, o controlo escalar e vetorial. O controlo escalar, controla a amplitude da

frequência e/ou da tensão aplicados ao motor de modo a manter o fluxo constante.



Enquanto o controlo vetorial é usado em aplicações de alta performance em que além do

controlo da velocidade é necessário controlar o binário produzido pelo motor.

O método de controlo proposto neste trabalho de dissertação é um método escalar

comummente usado em aplicações de controlo de velocidade sem precisão, o controlo

V/F (V/Hz) constante em malha aberta. Este método altera a amplitude da tensão e da

frequência proporcionalmente com vista a manter o fluxo do motor constante. Mantendo

o fluxo do motor constante é possível manter o seu binário, deste modo fazendo com

que ele opere numa ampla faixa de velocidades. A relação entre a tensão e a frequência

no controlo V/F em malha aberta pode ser vista na Figura 2.38.

Figura 2.38 – Relação entre a tensão e a frequência no controlo V/F em malha aberta.

Apesar de ser um controlo em malha aberta, na prática não é exatamente isso que

acontece, pois é necessário monitorizar uma das variáveis para garantir o bom

funcionamento do motor. Por algum motivo pode haver uma sobretensão que pode

originar o aumento da velocidade, devido ao facto da frequência estar acima da

nominal, o que provoca redução do binário produzido pelo motor, passando este a

operar na zona de binário enfraquecido [27].

Na Figura 2.39 é de notar que com este controlo até aos 50Hz todas as curvas de

binário para frequências inferiores são paralelas, pois o valor nominal da frequência do

motor são 50Hz. Para frequências superiores a máquina passa operar na zona de

enfraquecimento de campo e as curvas do binário alteram-se completamente. Neste

exemplo, se o binário de carga mecânica a ser acionada pelo motor fosse de 100N/m o

motor conseguia acionar a carga a velocidades que variam entre 0 e um valor

ligeiramente inferior a 2400rpm, por causa do deslizamento. Mas se o binário da carga

fosse 400N/m só poderia ser acionada até velocidades inferiores a 1200rpm

f (Hz)

V (rms)

220

110

5025

const = V/F



Figura 2.39 – Características mecânicas de um motor controlado por V/F constante (adaptada de [27]).

Este é o método é largamente usado em várias aplicações industriais

nomeadamente na bombagem de líquidos ou ventilação, aplicações onde a precisão da

velocidade não é um fator importante. Na Figura 2.40 pode ser visto um diagrama de

blocos do controlo V/F constante em malha aberta. O controlo do motor é feito com

parâmetros que não estão diretamente ligados ao motor, neste caso a variável que

comanda o controlo V/F constante é a tensão do barramento CC, consoante o valor da

tensão no barramento CC calcula-se os novos valores de referência tensão e frequência.

Uma vez calculada a nova referência esta passa pela modulação que pode ser PWM ou

SVM, para depois serem aplicados os pulsos ao inversor VSI que pode ser por

MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) ou IGBT (Insulated

Gate Bipolar Transistor).

Figura 2.40 – Diagrama de blocos do controlo V/F constante em malha aberta.

2.5. Conclusões

O objetivo deste capítulo foi o de pormenorizar o sistema de bombagem de água

alimentados por painéis solares fotovoltaicos a ser implementado neste projeto de

Motor de

Indução

Inversor trifásico

V/f constante

Modulção

PWM

SVM

Barramento CC

Controlo do motor de indulção

CC

Va

Vb

Vc

S1

S4

S3

S6

S5

S2



dissertação. Os sistemas de bombagem de água alimentados por painéis solares

fotovoltaicos são equipamentos de eletrónica de potência constituídos por três principias

elementos, o sistema fotovoltaico gerador de energia, o conversor eletrónico de potência

e o conjunto motor-bomba.

O painel ou painéis solares fotovoltaicos são responsáveis pela produção de

energia que alimenta o sistema de bombagem, ou seja, são a fonte de energia. Os painéis

existentes no mercado apresentam diferentes características de potência, a tensão e

corrente no ponto de máxima potência. Estes podem ser instalados em paralelo ou em

série entre si consoante as necessidades do sistema a alimentar.

O conversor eletrónico de potência é um elemento fundamental no sistema de

bombagem pois é o responsável por interligar os painéis fotovoltaicos e o conjunto

motor-bomba, tem a função de transformar a energia fornecida pelos painéis e adequá-la

de modo a ser transferida para a bomba. As condições nominais de funcionamento do

motor-bomba é que determinam os estágios de transformação da energia entre o

elemento gerador e o motor-bomba. As bombas que funcionam em CC carecem apenas

de um estágio de transformação de modo a adequar o valor da tensão de alimentação.

Nos casos em que o motor da bomba funciona em pode ser necessário um ou mais

estágios para de transformação dessa energia. Se o nível de tensão for adequado para

gerar uma tensão CA de alimentação da bomba só é necessário um estágio, caso isso

não se verifique é necessário um primeiro estágio para elevar a amplitude usando

conversores CC-CC, de seguida será invertida por conversores CC-CA.

Com vista a tornar o sistema mais eficiente é necessário que o rendimento dos

conversores eletrónicos seja elevado. Para aproveitar o máximo de energia produzida

pelos painéis solares é usado um algoritmo MPPT. Este algoritmo foi integrado no

conversor CC-CC. O algoritmo integrado no conversor CC-CA recomendado para o

controlo do motor de indução é o V/F contante, que é muito aplicado no controle de

velocidade de motores, em aplicações precisão da velocidade não é importante.


CAPÍTULO 3

Dimensionamento e Simulações Computacionais do

Sistema de Bombagem de Água Alimentado por


3.1. Introdução

Depois de no capítulo anterior ter descrito os principais elementos constituintes do

sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, neste

capítulo será apresentado todo o dimensionamento e as respetivas simulações

computacionais de validação. As simulações servem como auxílio para análise

comportamental do sistema, em regime permanente e transitório, tendo em conta as

características do hardware dimensionado para a montagem prática do projeto.

No desenvolvimento de um projeto de eletrónica de potência as simulações

desempenham um papel preponderante na escolha e dimensionamento dos componentes

do sistema elétrico antes da sua implementação prática. Com as aplicações de simulação

de circuitos eletrónicos é possível poupar tempo e dinheiro na escolha da solução mais

adequada, e garantir segurança do sistema implementado quando se opera com

potências de valores consideráveis.

O presente capítulo inicialmente vai apresentar as simulações individuais dos

circuitos constituintes do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares

fotovoltaicos, nomeadamente o sistema de painéis fotovoltaicos, o conversor CC-CC do

tipo boost e o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. E por fim a simulação de todos

os circuitos a operarem em conjunto.

3.2. PSIM

O desenvolvimento das ferramentas usadas na simulação de circuitos de eletrónica

de potência permitem aos utilizadores escolher qual se adapta melhor às suas

necessidades. Destacam-se no mercado alguns softwares de simulação como: Matlab-

Simulink (Matrix Laboratory), PSCAD/EMTCC (Power System Computer Assisted

Capítulo 3 – Dimensionamento e Simulações Computacionais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos


Design/ Electro-Magnetic Transients for DC), PSIM (Power Simulator) e SPICE

(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis).

O simulador selecionado foi o PSIM, software especialmente dedicado à análise e

controlo de circuitos de eletrónica de potência. Esta ferramenta é bastante abrangente no

que se refere a sistemas de potência, permitindo simular quase todo tipo de sistemas,

tais como: fontes de energias renováveis, conversores CC-CC, conversores CC-CA,

drivers de motores, filtros ativos entre outros. O seu ambiente gráfico é simples e

bastante intuitivo como se pode ver na Figura 3.1.

Figura 3.1 – Ambiente gráfico do software PSIM.

Outra ferramenta do PSIM é o Simview (Figura 3.2), que permite visualizar as

formas de onda dos sinais elétricos do circuito construído. Permitindo deste modo ao

utilizador poder analisar e obter uma noção aproximada do funcionamento do circuito,

por observação das formas de onda dos sinais selecionados.

Outro aspeto importante que é uma grande vantagem do PSIM quando comparado

aos outros simuladores, é o facto de o sistema de controlo poder ser implementado com

um bloco digital programado em linguagem C (Figura 3.3). Deste modo emulando um

microcontrolador o que aproxima bastante o sistema da realidade, e permite testar o

código que será posteriormente implementado no microcontrolador.



Figura 3.2 – Ambiente gráfico da ferramenta Simview do software PSIM.

Figura 3.3 – Bloco C do PSIM.

3.3. Painéis solares fotovoltaicos

Os painéis solares fotovoltaicos são fontes de energia com características próprias,

por isso não pode ser feita a sua emulação com base numa fonte CC comum. O circuito

equivalente de uma célula fotovoltaica pode ser visto na Figura 3.4. A fonte de corrente

representa a radiação solar diretamente proporcional à corrente da fonte, em paralelo

com um díodo que representa a junção P-N da célula. A resistência ( ) em paralelo

com a fonte representa a corrente de fuga para a terra, e as perdas internas devido ao

fluxo da corrente, a ligação entre as células é representada pela resistência ( ) em

serie. e representam a corrente e a tensão aos terminais da célula fotovoltaica.



Figura 3.4 – Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica.

Na versão 9,0 do software PSIM foi acrescentada a componente de fontes de

energias renováveis, nas quais é possível emular uma turbina eólica e painéis solares

fotovoltaicos. No último estão disponíveis duas possibilidades o modelo físico e o

modelo funcional. O modelo funcional é limitado, considerando somente algumas

características do painel, enquanto o modelo físico, abrange todas características do

painel fotovoltaico relevantes para aproximar ao máximo o modelo do comportamento

real do painel solar fotovoltaico.

A componente das energias renováveis possui uma ferramenta designada de

“Solar Module (phisical model)” que permite ao utilizador introduzir as características

do painel que vai usar e ajustar as do modelo de modo a que se assemelhem às

características fornecidas. Além de poder introduzir as características do painel, esta

utilidade apresenta de forma gráfica, as curvas do painel fotovoltaico. Nomeadamente a

curva I-V (corrente-tensão) e a curva P-V (potência-tensão).

Considerando as características de aplicação do sistema proposto será necessária

uma baixa potência em painéis solares fotovoltaicos, aproximadamente 1000W. Para

conseguir esta potência foram usados para o modelo de simulação os painéis

fotovoltaicos da BP (British Petroleum) de referência BP 2150S. As principais

características deste painel solar fotovoltaico estão apresentadas na Tabela 3.1.

Associando em série 7 paneis solares fotovoltaicos (BP 2150S) obtêm-se uma

potência máxima do conjunto de 1050W, ao que corresponde um valor de tensão

aproximadamente 238V e uma corrente de 4,45A no ponto de potência máxima.

Na Figura 3.5 pode-se ver o modelo do gerador fotovoltaico composto pelos 7

painéis, usando a ferramenta “Solar Module (phisical model)”.

Rsh

Rs

-

+

vph

idish

iph

i D



Tabela 3.1 – Características do painel solar fotovoltaico da BP de referência BP 2150S [28].

Características do módulo Valor

Potência Máxima (W) 150

Tensão MPP (V) 34

Corrente em MPP (A) 4,45

Tensão de sistemas máxima (V) 600

Tensão em circuito aberto (V) 42,8

Corrente em curto-circuito (A) 4,75

Coeficiente de temperatura VOC (V/ºC) -(0,16±0,02)

Potência máxima mínima garantida (W) 130

Coeficiente de temperatura ISC (mA/ºC) (65±15)

NOTC (ºC) 47±2

Figura 3.5 – Parametrização do modelo dos painéis fotovoltaicos.

Do lado direito da Figura 3.5 está representado o utilitário Solar Module (phisical

model) onde á possível ajustar características do modelo dos painéis solares

fotovoltaicos que vão ser usados. Quando as características dos painéis estiverem

ajustadas são transferidas para o modelo do painel fotovoltaico do ambiente de

simulação, à esquerda da figura.

O modelo de simulação dos painéis solares fotovoltaicos é bastante útil, por ser

possível ajustar os parâmetros do painel de modo a que o modelo de simulação se

aproxime o máximo das condições reais de operação. Uma das grandes vantagens é o



facto de se poder simular as condições climatéricas a que os painéis estarão sujeitos. É

possível modificar o valor da radiação solar (S) e a temperatura (T) deste modo

alterando a potência produzida pelos painéis solares fotovoltaicos, o que é uma grande

vantagem para verificar o funcionamento dos algoritmos de MPPT.

3.4. Conversor CC-CC do tipo Boost

A tensão disponível à saída do conjunto de painéis fotovoltaicos é de 238V, e

como à entrada do inversor é necessário no mínimo uma tensão 380V, para obter na

saída se obter os 230V eficazes, é necessário elevar a tensão dos painéis. Para elevar a

tensão optou-se pelo conversor CC-CC do tipo boost descrito no subcapítulo 2.4.

Os valores que serviram de base ao dimensionamento dos componentes foram as

tensões de entrada 238V, tensão de saída 400V, frequência de comutação de 100kHz e

ripple da tensão de saída de 2,5%. Destaca-se o facto de se pretender que o conversor

opere no modo de condução contínua. Usando as equações apresentadas em 2.4.1, pode

obter-se:

Duty-cycle:

[ ]

Resistência de saída:

Indutância:

( )

( )

Condensador:

( )

(

)

Os valores dos componentes acima calculados serviram de base para a simulação

do conversor CC-CC, mas importa salientar que sofreram alterações devido à dinâmica

de funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Além de ser o responsável pela

transferência de energia entre a fonte e carga do conversor boost, a indutância é

determinante no modo de operação do conversor. Ou seja, consoante a dinâmica da

fonte de tensão à entrada do conversor o valor baixo da indutância pode fazer com que

este opere no modo de condução descontínua, e para evitar essa situação é necessário



aumentar o valor da indutância. O modelo do circuito simulado no software PSIM pode

ser visto na Figura 3.6. O interruptor usado foi um MOSFET por este poder operar

numa larga gama de valores de frequência.

Figura 3.6 – Modelo de simulação do conversor CC-CC do tipo boost com o conjunto de painéis como

fonte de energia.

A principal função dos conversores CC-CC é controlar o valor da tensão de saída,

para que esta esteja dentro dos níveis da tensão pretendida. O método usado para

controlar a tensão de saída foi o PWM com um controlador PI (proporcional e integral).

Este é um método muito usado no controlo dos conversores CC-CC e é bastante simples

como se pode ver na Figura 3.7.

Figura 3.7 – Controlo do conversor CC-CC do tipo boost.

Consiste na comparação da tensão de saída ( ) com a tensão de referência ( )

que é a tensão desejada à saída do conversor. O erro resultante da comparação depois de

ajustado pelo controlador PI é comparado com uma onda triangular, cuja frequência

corresponde à frequência de comutação desejada para o conversor. Da comparação

resultam os pulsos que são aplicados ao interruptor ( ). A largura dos pulsos, ou

o duty-cycle não é fixo, vai-se alterando até que se atinja o estado de regime

permanente. A ação de controlo é conseguida por atuação no duty-cycle.

Para o teste do conversor boost foram admitidas as suas condições ideias de

funcionamento, ou seja no ponto de máxima potência do conjunto de painéis solares

fotovoltaicos. Os resultados obtidos são apresentados de seguida.



A Figura 3.8 a) representa a forma de onda da tensão produzida pelos painéis, é de

notar que no início o valor da tensão é cerca de 280V vai decrescendo até um valor

médio próximo de 250V (valor de tensão ligeiramente superior ao previsto) quando o

sistema atinge o regime permanente.

Figura 3.8 – Formas de onda da tensão do conversor boost: (a) Tensão produzida pelos painéis solares

fotovoltaicos; (b) Tensão à saída do conversor.

No estado inicial o valor da tensão corresponde à tensão de circuito aberto, baixa

progressivamente até estabilizar no valor da tensão do ponto de máxima potência em

carga. Em sentido contrário o valor da tensão de saída parte de um valor baixo e cresce

até atingir o valor máximo cerca de 390V de valor médio (valor de tensão ligeiramente

inferior ao previsto) como se verifica na Figura 3.8 b). As duas formas de onda

apresentam um ripple provocado pela comutação do semicondutor de potência o

MOSFET.

A corrente produzida pelos painéis solares fotovoltaicos varia entre o seu valor

máximo e o valor mínimo, graças a uma adequando dimensionamento da indutância é

possível atenuar essa variação evitando que o circuito entre no modo de operação

descontínua. A forma de onda da corrente produzida pelos painéis fotovoltaicos ( ) tem

o mesmo aspeto da forma da corrente à saída do conversor ( ) o que difere é a

amplitude que diminui de cerca de 4,1A para 2,6A respetivamente, como se pode

verificar na Figura 3.9.

0 1 2 3Time (s)

0

100

200

300

400

vpainel

0 1 2 3Time (s)

0

100

200

300

400

vo

(V)

(b)(a)

(V)

Tempo (s) Tempo (s)



Figura 3.9 – Formas de onda da corrente do conversor boost: (a) Corrente produzida pelos painéis solares

fotovoltaicos; (b) Corrente à saída do conversor.

Uma forma de avaliar os sistemas solares é o rendimento da potência do sistema,

ou seja a relação entre a potência disponível e a potência que é extraída do sistema

solar. Mediante certas condições meteorológicas os painéis produzem uma dada

potência máxima ( ), que pode ou não ser aproveitada na sua totalidade pelo sistema

ao qual se encontram ligados.

A Figura 3.10 a) representa o valor máximo de potência disponível nos painéis

solares fotovoltaicos, que é cerca de 1050W para as condições meteorológicas a que foi

feita a simulação (S=1000W/ e T=25ºC). A Figura 3.10 b) reproduz o valor da

potência aproveitada pelo conversor CC-CC, que são 1014W de valor médio quando o

sistema atinge o estado de regime permanente. Importa referir que esta simulação foi

feita sem o algoritmo de MPPT ativo.

Figura 3.10 – Potências do sistema: (a) Potência produzida pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos;

(b) Potência do conversor CC-CC do tipo boost.

0 1 2 3Time (s)

0

2

4

6

8

10

io

0 1 2 3Time (s)

0

2

4

6

8

10

ipainel

(A)

(b)(a)

(A)

Tempo (s) Tempo (s)

0 1 2 3Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200Pmax

0 1 2 3Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200Ppainel

Tempo (s)

(W)

(b)(a)

(W)

Tempo (s)



A potência extraída apresenta um ripple, consequência do ripple da tensão e

corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.

3.5. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico

O inversor de tensão trifásico é o responsável por converter a tensão CC à saída

do conversor do tipo boost para um sistema equilibrado de tensões trifásicas para

alimentar o motor da bomba de água. Admitindo que a carga será ligada em triângulo é

necessário que o barramento CC tenha uma tensão superior a 380V para se conseguir

obter uma tensão trifásica de 230V RMS na saída CA do conversor.

O conversor CC-CA VSI simulado é mostrado na Figura 3.11, é composto por

três braços de interruptores de potência que neste caso são do tipo MOSFET, e a carga

trifásica composta por uma resistência e uma indutância em cada fase representa os

enrolamentos do motor ligado em triângulo. A fonte de tensão de entrada foi

configurada para o nível de tensão do barramento CC que será proveniente do conversor

CC-CC do tipo boost.

Figura 3.11 – Modelo de simulação do conversor CC-CA do tipo VSI.

Nos sistemas de bombagem de água a precisão da velocidade do motor não é um

fator preponderante, porém o binário desenvolvido por este é importante para que seja

possível efetuar a bombagem. E o controlo mais comum para este tipo de sistemas é o

escalar também conhecido como V/F cujo princípio de funcionamento foi anteriormente

explicado em 2.4.5. A relação constante entre o valor da tensão e frequência foi

conseguido usando a tensão disponível no barramento CC como referência para o



cálculo da frequência. Deste modo se a tensão no barramento CC baixa a frequência de

saída será ajustada mantendo a mesma proporção.

O intuito das simulações é prever o comportamento da montagem prática dos

circuitos como foi referido, por esse motivo para testar este controlo foram consideradas

as características do hardware disponível para a implementação. Sendo o sistema digital

de 8 bits com capacidade de processamento limitada que consequentemente o número

de patamares de frequência, por isso foram definidos níveis de operação. Em vez de ser

aplicada ao motor a frequência calculada para os diferentes valores da tensão no

barramento CC de forma contínua e linear, a frequência é aplicada para uma gama de

valores previamente definidos. Serve como exemplo a seguinte situação, para valores de

tensão entre 360 e 400V a frequência é de 50Hz, e para tensões entre 320 e 360V a

frequência é de 45Hz e assim em diante.

Os valores calculados pelo sistema de controlo V/F são aplicados aos

interruptores de potência pela modulação PWM que já foi descriminada em 2.4.4 como

se pode observar na Figura 3.12.

Figura 3.12 – Bloco de controlo do conversor CC-CA com o método de controlo V/F.

Este controlo foi implementado usando um bloco C do software PSIM, os

resultados obtidos são apresentados de seguida.

Tabela 3.2 – Valores obtidos nos resultados da simulação.

Frequência (Hz)

Valor médio da

tensão de entrada

CC (V)

Valor RMS da

tensão alternada

composta (A)

Valor RMS da

corrente alternada

da fase a (A)

50 400 230 2,74

45 350 202 2,15

40 315 181 1,72

Na Figura 3.13 estão representados os gráficos com a variação temporal das

principais variáveis que estão diretamente relacionadas com o controlo V/F. A variável



de controlo é a tensão disponível no barramento CC, como se pode verificar na

Figura 3.13 a) inicialmente esta se encontra com o valor de 400V. Este é ponto nominal

de operação do conversor CC-CA, a frequência é de 50Hz, e a tensão composta 230V.

Se o valor da tensão no barramento CC baixar, por diminuição da potência disponível

nos painéis, esta tem efeito sobre a amplitude da tensão e, consequentemente, na

frequência de operação como se pode observar na Figura 3.13 b) c) d).

Figura 3.13 – Tensões do conversor CC-CA: (a) Tensão à entrada do conversor CC-CA; (b) Tensão à

saída entre as fases e ; (c) Tensão à saída entre as fases e c; (d) Tensão à saída entre as fases e .

Na Figura 3.14 estão representados os gráficos com a variação da frequência de

operação do conversor, resultante da variação da tensão de entrada, e as respetivas

correntes de saída do conversor CC-CA.

A validação do funcionamento dois circuitos de forma independentemente, antes

de se prosseguir para a simulação do sistema completo foi a metodologia encontrada

para poder explorar as potencialidades de cada circuito e poder otimizar o

funcionamento dos mesmos. De seguida será abordado o modelo de simulação do

sistema de bombagem de água completo.

2 2.2 2.4Time (s)

280

300

320

340

360

380

400

vi

2 2.2 2.4Time (s)

0

-200

-400

200

400

vab

Tempo (s)

(a)

(b)

2 2.2 2.4Time (s)

0

-200

-400

200

400

vbc

(c)

2 2.2 2.4Time (s)

0

-200

-400

200

400

vca

Tempo (s)

(d)

(V)

(V)

(V)

(V)



Figura 3.14 – Frequência e correntes do conversor CC-CA: (a) Frequência de saída do conversor; (b) Corrente de saída na fase ; (c) Corrente de saída na fase ; (d) Corrente de saída na fase .

3.6. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares

Fotovoltaicos

O sistema de bombagem de água é composto pelos três circuitos anteriormente

apresentados, o conjunto de painéis solares fotovoltaicos, o circuito conversor CC-CC

do tipo boost, o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico e pelo conjunto motobomba. O

modelo de simulação do sistema de bombagem pode ser visto na Figura 3.15. É de notar

que a resistência de saída do conversor CC-CC foi retirada, tal como a fonte de entrada

do conversor CC-CA. Pois estes serviam somente para testes dos respetivos conversores

de potência.

2 2.2 2.4Time (s)

0

-2

-4

2

4

ib

2 2.2 2.4Time (s)

40

42

44

46

48

50

frequencia

(a) (c)

(Hz)

2 2.2 2.4Time (s)

0

-2

-4

2

4

ia

(A)

2 2.2 2.4Time (s)

0

-2

-4

2

4

ic

Tempo (s) Tempo (s)

(A)

(A)

(b) (d)



Figura 3.15 – Modelo de simulação do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares

fotovoltaicos.

Para a operação do sistema de bombagem de água é necessário que este seja capaz

de controlar todos os circuitos constituintes do sistema. Nomeadamente extrair o

máximo de potência dos painéis, controlar o conversor CC-CC e o conversor CC-CA.

Os controladores do conversor CC-CC e do conversor CC-CA foram abordados nos

subcapítulos 3.4 e 3.5 respetivamente. Para extração da máxima potência dos painéis foi

implementado um algoritmo de MPPT como anteriormente referido.

3.6.1. Algoritmo de MPPT

Como se sabe a radiação solar durante o dia altera, consequentemente a potência

produzida pelos painéis solares fotovoltaicos. Um controlo “cego” do conversor CC-

CC, não tem em consideração a potência disponível à entrada mantendo a tensão de

saída constante o que pode levar a um desperdício de muita da potência que os painéis

produzem. Por esse motivo é necessário um controlo dinâmico que consiga controlar a

tensão de saída em função da potência que temos à entrada. Os algoritmos MPPT

desempenham essa função, e podem ser integrados no controlo do conversor CC-CC ou

no conversor CC-CA.

Neste projeto optou-se por integrar o algoritmo MPPT no controlo do conversor

CC-CC. Inicialmente o algoritmo selecionado foi a condutância incremental por se

saber que este apresenta melhores resultados, como foi referido em 2.4.2. O algoritmo

de controlo foi implementado usando o bloco C disponível no software PSIM, o que

facilita a futura implementação no microcontrolador que também pode ser programado

em linguagem C. O bloco representativo pode ser visto na Figura 3.16, onde estão

representadas as variáveis de entrada: tensões do painel ( ) e de saída do

conversor ( ) e corrente do painel ( ). Na saída ( ) que depois de

modulada por PWM é aplicada ao MOSFET do conversor CC-CC.



Figura 3.16 – Boco de controlo do conversor CC-CC com algoritmo MPPT implementado.

O ajuste dos parâmetros do algoritmo de MPPT requer alguma sensibilidade, por

isso é necessário algum cuidado quando são implementados. Destes destaca-se o ajuste

da variável de perturbação que é muito importante para a otimização do funcionamento

do algoritmo. Esta variável se for mal dimensionada pode provocar variações bruscas na

variável de referência o que pode causar instabilidade ou mau funcionamento do sistema

em causa.

Inicialmente optou-se pela implementação do algoritmo de MPPT de condutância

incremental, porém as características do hardware nomeadamente o microcontrolador

não possuíam capacidade para tal. Como se pretende uma solução de baixo custo, e

dadas as características da aplicação, optou-se por implementar um algoritmo mais

simples, em detrimento da substituição do microcontrolador. Por esse motivo optou-se

pela abordagem mais usada e de simples implementação o algoritmo de controlo

perturbação e observação. O algoritmo P&O exige menos recursos de processamento

quando comparado com o algoritmo de condutância incremental. Ainda pelas limitações

de processamento do hardware escolhido foi necessário implementar em separado o

controlo do conversor CC-CC e do conversor CC-CA.

3.6.2. Resultados de Simulação do Sistema de Bombagem de Água Alimentado

por Painéis Solares Fotovoltaicos

Uma forma de verificar que o sistema opera conforme o desejado, é verificar se a

potência máxima disponível nos painéis ( ) está a ser totalmente aproveitada pelo

sistema de bombagem de água. Para verificar o funcionamento do sistema de

bombagem foram testadas duas situações: a primeira foi para o ponto de operação

nominal do sistema e a segunda quando a potência disponível nos painéis varia.

A potência máxima ( ) disponível nos painéis é de 1050W e o valor médio da

potência extraída dos painéis ( ) é de 1043W quando o sistema atinge o regime

permanente. A Figura 3.17 mostra a evolução temporal destas duas grandezas durante o

arranque do sistema até ao regime permanente.



Figura 3.17 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares fotovoltaicos;

(b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.

O valor da potência máxima é dado pelo modelo dos painéis solares fotovoltaicos

e corresponde ao ponto de máxima potência em função da radiação e temperatura, e o

valor da potência extraída ( ) destes é calculada multiplicando a corrente e a

tensão à saída do conjunto dos painéis solares fotovoltaicos. Observando a escala de

tempo dos gráficos da Figura 3.17 pode-se verificar que este é um sistema lento, leva

cerca de 3,06s para atingir o regime permanente. Quando comparado com outros

sistemas os solares fotovoltaicos são lentos, pois as variações da temperatura ambiente e

da radiação solar são lentas.

Como se pode ver na Figura 3.18 b) a tensão à saída do conversor CC-CC ou seja,

a tensão do barramento CC cresce lentamente até atingir o seu valor máximo de 381V

(valor médio), enquanto a tensão dos painéis Figura 3.18 a) decresce partindo do ponto

de tensão de circuito aberto de 288V até atingir o valor de tensão no ponto de potência

máxima 239V. A corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos cresce até atingir

a corrente do ponto de máxima potência 4,4A (valor médio) como ilustra a

Figura 3.18 c).

No conversor CC-CA foi implementado um controlo V/F em que a tensão no

barramento CC serve como variável de controlo para o ajuste da tensão, e frequência da

saída, esta terá um efeito na amplitude e na frequência da tensão a saída do conversor

CC-CA como ilustrado na Figura 3.19.

0 2 4 6Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200Ppainel

0 2 4 6Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200Pmax

Tempo (s)

(W)

(b)(a)

(W)

Tempo (s)



Figura 3.18 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis solares fotovoltaicos;

(b) Tensão de saída do conversor CC-CC; (c) Corrente fornecida pelo conjunto de painéis solares fotovoltaicos.

Figura 3.19 – Tensão entre fases filtradas à saída do conversor CC-CA.

No lado esquerdo da Figura 3.19 estão representadas as tensões trifásicas ao longo

de todo o tempo de simulação (7s) para ser visível a variação no tempo da amplitude da

0 2 4 6Time (s)

0

100

200

300

400

vpainel

0 2 4 6Time (s)

0

100

200

300

400

vo

Tempo (s)

(V)

(b)(a)

(V)

Tempo (s)

0 2 4 6Time (s)

0

2

4

6

8

10

ipainel

Tempo (s)

(A)

(c)

0-200-400

200400

vab

0-200-400

200400

vbc

6.8 6.9 7Time (s)

0-200-400

200400

vca

0-200-400

200400

vab

0-200-400

200400

vbc

0 2 4 6Time (s)

0-200-400

200400

vca

(V)

Tempo (s) Tempo (s)



tensão. À direita estão representadas as formas de onda num curto tempo para ser

possível verificar a sua forma sinusoidal.

Na Figura 3.20 são representadas as mesmas tensões que na Figura 3.19 porém

sem serem filtradas.

Figura 3.20 – Tensão entre fases não filtradas à saída do conversor CC-CA.

As correntes em cada uma das fases à saída do conversor CC-CA podem ser vistas

na Figura 3.21 (à esquerda), estas crescem até atingir o valor máximo de 2,7A RMS

quando o sistema atinge o ponto de potência máxima. Tal como acontece com as formas

de onda das tensões não é possível distinguir a sua forma sinusoidal. Assim à direita da

Figura 3.21 é possível ver a sua forma quando o sistema se encontra em regime

permanente.

Figura 3.21 – Corrente nas fases à saída do conversor CC-CA.

0-200-400

200400

vab_

0-200-400

200400

vbc_

6.8 6.9 7Time (s)

0-200-400

200400

vca_

0-200-400

200400

vab_

0-200-400

200400

vbc_

0 2 4 6Time (s)

0-200-400

200400

vca_

(V)

(V)

(V)

(V)

(V)

(V)

Tempo (s) Tempo (s)

0-2-4

24

ia

0-2-4

24

ib

6.8 6.9 7Time (s)

0-2-4

24

ic

0-2-4

24

ia

0-2-4

24

ib

0 2 4 6Time (s)

0-2-4

24

ic

Tempo (s)

(A)

(A)

(A)

Tempo (s)

(A)

(A)

(A)



A frequência de operação do inversor é controlada pela amplitude da tensão

disponível no barramento CC, tal como foi descrito para o controlo V/F (2.4.5). Esta

cresce até atingir o ponto de operação de frequência máxima de 50Hz, quando se atinge

o ponto de máxima potência como ilustra a Figura 2.21.

Figura 3.22 – Frequência de operação do conversor CC-CA.

Como se sabe o sol não brilha ao longo do dia sempre com a mesma intensidade,

logo a radiação que incide sobre os painéis não é constante, o que tem como

consequência a variação da potência produzida por estes. Esta foi a segunda situação

testada, verificar como o sistema se comporta para uma variação da potência produzida

pelos painéis. Esta situação que pode ocorrer por razões naturais como mudança de

radiação, de temperatura, ou por exemplo se os painéis forem expostos a uma sombra.

Na Figura 3.23 estão representadas de forma gráfica as potências do sistema,

partindo inicialmente do ponto de potência máxima 1050W que depois de um tempo

sofre uma perda de potência para 850W, e de seguida volta a ganhar potência

retomando ao ponto inicial. É importante a simulação do comportamento do sistema de

bombagem de água para as diferentes situações que podem ocorrer ao longo do dia

enquanto o sistema se encontra em operação. Quando a potência máxima disponível nos

painéis se altera (Figura 3.23 a)) a potência extraída dos painéis acompanha essa

alteração (Figura 3.23 b)). A alteração da potência produzida pelos painéis tem efeito

direto em todas as grandezas eletrónicas do sistema, na Figura 3.24 estão representadas

as formas de onda da tensão e corrente nos painéis, e a tensão de saída do conversor

CC-CC que acompanham a variação da potência. Quando ocorre a perda de potência a

tensão fornecida pelos conjunto de painéis solares fotovoltaicos baixa de 239 para 227V

(valor médio). A tensão à saída do conversor CC-CC baixa de 381 para 360V (valor

0 2 4 6Time (s)

0

10

20

30

40

50

Frequencia

Tempo (s)

(Hz)



médio), e a corrente fornecida pelos painéis solares fotovoltaicos cai de 4,4 para 3,61A

(valor médio).

Figura 3.23 – Potências do sistema: (a) Potência máxima disponível nos painéis solares fotovoltaicos;

(b) Potência extraída do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.

Figura 3.24 – Tensões e correntes CC do sistema: (a) Tensão do conjunto de painéis solares fotovoltaicos;

(b) Tensão a saída do conversor CC-CC e a entrada do conversor CC-CA; (c) Corrente do conjunto de painéis solares fotovoltaicos.

10 20 30Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200

Pmax

10 20 30Time (s)

0

200

400

600

800

1000

1200

Ppainel

Tempo (s)

(W)

(b)(a)

(W)

Tempo (s)

10 20 30Time (s)

0

100

200

300

400

vpainel

10 20 30Time (s)

0

100

200

300

400

vo

10 20 30Time (s)

0

2

4

6

8

10

ipainel

(V)

(b)(a)

(V)

Tempo (s)Tempo (s)

Tempo (s)

(A)

(c)



À saída do conversor CC-CA o efeito da variação da potência produzida pelos

painéis também se faz sentir, alterando deste modo a sua amplitude e frequência de

operação. Na Figura 3.25 estão representadas as formas de onda da tensão composta, e

da corrente em cada uma das fases. A tensão composta passa de 225V RMS para 200V

RMS, e a corrente de 2,7A RMS passa para 2,4A RMS.

Figura 3.25 – Tensões e correntes à saída do conversor CC-CA e a frequência de operação: (a) Tensão

entre fases; (b) Corrente nas fases.

3.7. Conclusões

Neste capítulo foram apresentadas as simulações computacionais do sistema de

bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Inicialmente

efetuaram-se simulações dos circuitos constituintes do sistema de bombagem de forma

independente, nomeadamente ao conjunto de painéis solares fotovoltaicos, ao conversor

CC-CC do tipo boost e ao conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Por fim integraram-

se os três circuitos de forma a verificar o seu comportamento a operarem em conjunto.

0-200-400

200400

vab

0-200-400

200400

vbc

17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)

0-200-400

200400

vca

0-200-400

200400

vab

0-200-400

200400

vbc

17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)

0-200-400

200400

vca

0-200-400

200400

vab

0-200-400

200400

vbc

5 10 15 20 25 30Time (s)

0-200-400

200400

vca

(V)

(V)

(V)

Tempo (s)

(V)

(V)

(V)

(A)

(A)

(A)

Tempo (s)

(A)

(A)

(A)

0-2-4

24

ia

0-2-4

24

ib

17.8 17.84 17.88 17.92 17.96 18Time (s)

0-2-4

24

ic

0-2-4

24

ia

0-2-4

24

ib

5 10 15 20 25 30Time (s)

0-2-4

24

ic

Tempo (s) Tempo (s)

(A)

(A)

(A)

(A)

(A)

(A)

(a)

(b)



O software selecionado para as simulações foi o PSIM. Este software além de ser

dedicado a simulação e análise de circuitos eletrónicos de potência, apresenta uma

grande vantagem que são os modelos de fontes de energias renováveis.

Usando a ferramenta do software PSIM “Solar Module (phisical model)” foi

possível emular o conjunto de painéis solares fotovoltaicos, usando as características do

painel solar BP 2150S. Com esta ferramenta foi possível obter resultados satisfatórios

próximos dos valores calculados, o que garante a sua fiabilidade.

O método de controlo usado para o conversor CC-CC do tipo boost é simples e de

fácil implementação. A tensão de saída do conversor não possui overshoot e tende para

o valor de tensão pretendido, deste modo viabilizando este método de controlo.

Para controlar a velocidade do motor do conjunto motobomba foi aplicado no

conversor CC-CA o método de controlo V/F em malha aberta, que é muito comum em

aplicações de bombagem de água. Deste modo é possível fornecer o binário necessário

para acionar o motor da bomba de água, nas diferentes gamas de frequência de operação

definidas para este controlo.

Os três circuitos operando em conjunto formam o sistema de bombagem de água

alimentado por painéis solares fotovoltaicos. O elemento responsável por interligar

todos estes circuitos de forma que estes operem sincronizados é o algoritmo de controlo.

O algoritmo de controlo tem como função principal extrair o máximo de potência

disponível no conjunto de painéis solares fotovoltaicos. Para tal, foi implementado o

algoritmo de MPPT de perturbação e observação integrado no conversor CC-CC do tipo

boost. Uma vez extraída a potência máxima dos painéis solares fotovoltaicos, esta pode

ser aplicada ao conjunto motobomba que é controlado pelo método V/F que usa a

tensão de saída do conversor CC-CC como referência. Importa destacar o facto do

algoritmo de MPPT ter-se revelado robusto a quando das variações de potência

produzida pelos painéis solares fotovoltaicos, este acompanhando tais variações.


CAPÍTULO 4

Implementação e Resultados Experimentais do

Sistema de Bombagem de Água Alimentado por


4.1. Introdução

No capítulo anterior foram apresentadas as simulações do sistema de bombagem

de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos, que serviram de base para o

presente capítulo que vai apresentar a implementação do sistema e os resultados

experimentais obtidos.

Um sistema solar de bombagem de água tipicamente é composto por: um conjunto

de painéis solares fotovoltaicos, um conversor CC-CC do tipo boost, um conversor CC-

CA do tipo VSI trifásico, e pelo conjunto motobomba. No âmbito desta dissertação

foram desenvolvidos os conversores eletrónicos e os respetivos sistemas de controlo.

Este capítulo começa por descrever os circuitos eletrónicos desenvolvidos,

nomeadamente, o conversor CC-CC do tipo boost, o conversor CC-CA do tipo VSI

trifásico e o sistema de controlo. Por fim são apresentados os resultados experimentais

obtidos nos diferentes ensaios realizados aos circuitos desenvolvidos.

4.2. Sistema Implementado

O sistema de bombagem implementado é composto por duas unidades principais,

a unidade de potência e a de controlo. A unidade de potência é composta por dois

conversores elétricos, o conversor CC-CC do tipo boost e o conversor CC-CA do tipo

VSI trifásico. A unidade de controlo é constituída por dois microcontroladores

PIC18F44321 da empresa Microchip Technology.

O diagrama simplificado do sistema de bombagem de água desenvolvido pode ser

visto na Figura 4.1. O conjunto de painéis que representa o gerador fotovoltaico foi

emulado usando uma fonte de tensão não linear. Para emular o conjunto motobomba da

bomba de água foi usado um motor de indução trifásico.

Capítulo 4 – Implementação e Resultados Experimentais do Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos


Figura 4.1 – Diagrama de blocos do sistema implementado

De seguida serão apresentadas algumas características relevantes da constituição

dos circuitos implementados. Como é de notar na Figura 4.1 no diagrama de blocos

estão representados dois microcontroladores iguais, isto deve-se ao facto de cada um

deles controlar um dos conversores. Esta situação deve-se ao facto deste

microcontrolador ser limitado e não conseguir efetuar em tempo útil os cálculos

necessários para controlar os dois conversores. Destaca-se o facto de que um DSP

(Digital Signal Processor) apresenta um custo superior a dois microcontroladores PIC

(Peripheral Interface Controller), e pretendia-se uma solução de baixo custo.

4.3. Conversor CC-CC do tipo Boost

A implementação prática do conversor CC-CC do tipo boost sofreu algumas

alterações relativamente ao circuito exposto em 2.4.1, foi sobredimensionado com vista

a garantir fiabilidade e segurança deste. As simulações do conversor CC-CC no

subcapítulo 3.4 usam valores teóricos dos componentes, o que e para muitos deles não

têm correspondência nas séries comerciais dos componentes, daí a necessidade de se

fazer um equilíbrio entre os valores teóricos dos componentes e os componentes

existentes comercialmente. Na Figura 4.2 pode ser visto o circuito eletrónico do

conversor CC-CC do tipo boost que foi desenvolvido.

Painéis solares

fotovoltaicos

Conversor CC-

CC do tipo

boost

Conversor

CC-CA do tipo

VSI trifásico

Bomba

de água

Microcontrolador

(PIC18F4431) Controlo

do conversor CC-CC

(MPPT)

Microcontrolador

(PIC18F4431) Controlo do

conversor CC-CA (V/F)

tensão

corrente

Sinal PWM Sinais PWMtensão



Figura 4.2 – Esquemático do conversor CC-CC do tipo boost.

4.3.1. Circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo boost

Na Figura 4.2 está representado o circuito eletrónico do conversor CC-CC do tipo

boost e o respetivo sistema de controlo. Nesta secção será abordado somente o circuito

de potência, o sistema de controlo será versado adiante. Os componentes usados foram

escolhidos com base nos dimensionados no subcapítulo 3.4. Porém os valores destes

foram sobredimensionados de modo a poder garantir segurança do circuito

implementado, e tendo em conta os componentes que se encontravam disponíveis no

laboratório do GEPE (Grupo de Eletrónica de Potência e Energia) da Universidade do

Minho.

Condensador de Entrada

À saída dos painéis solares fotovoltaicos é recomendado o uso de um condensador

para estabilizar a tensão fornecida por estes, neste caso foi usado um condensador de

polipropileno com as seguintes características 20uF/800V, este valor máximo de tensão

é suficiente uma vez que a tensão à saída do conjunto de painéis solares não excede os

300V.

Indutância

O valor da indutância usado nas simulações do conversor CC-CC do tipo boost foi

de 3mH. Para a construção de uma indutância é necessário dimensionar o núcleo

(equação (4.1)), o entreferro do núcleo (equação (4.2)), comprimento do fio condutor a

20uF

10MΩ

150kΩ

3,18mH

1MΩ

1MΩ

470uF

470uF

20uf

10MΩ

100kΩ

U1560

vd vo

IRFP460

Sensor de corrente

(ACS712)

Gate driver

(TC4422)

Microcontrolador

(PIC18F4431)Sinal PWM

corrente

do painel

tensão do

painel

tensão na

sáida



ser usado (equação (4.4)) e o número de voltas (equação (4.3)) [29]. A indutância foi

construída admitindo os valores da Tabela 4.1:

Tabela 4.1 – Valores de base admitidos no dimensionamento da indutância.

Características da indutância Valor

(densidade de fluxo máximo) 200mΤ

(resistência) 0,2Ω

(indutância) 3mH

(corrente máxima) 5A

(resistividade do condutor) 1,724x Ω-cm

(permeabilidade de espaço vazio) 4Πx H/m

(fator de preenchimento do enrolamento) 0,5

(área transversal do núcleo) 12cm

(comprimento médio por volta) 16cm

O núcleo da indutância é dimensionado usando a equação (4.1), porém neste caso

não foi necessário o seu dimensionamento pois foi usado um núcleo existente no

laboratório.

(4.1)

O entreferro do núcleo, que é calculado usando a formulada da equação (4.2).

(4.2)

Logo:

O número das voltas necessárias dar em volta do núcleo, pode ser calculado

usando a equação (4.3).

(4.3)

Assim:

O comprimento do condutor é determinado pela equação (4.4).

( ) (4.4)

Deste modo:



A indutância desenvolvida pode ser vista na Figura 4.3.

Figura 4.3 – Indutância desenvolvida.

MOSFET

A frequência de comutação escolhida para o conversor CC-CC foi de 100kHz, e

para frequências elevadas como neste caso, os semicondutores de potência

recomendados são os MOSFET. Estes têm um tempo de comutação muito curto,

permitindo que estes operem em frequência elevadas na ordem das dezenas a centenas

de kHz. O MOSFET selecionado foi o IRFP460 do tipo N. Este MOSFET suporta uma

tensão entre a drain e a source de 500V, e uma corrente de drain de 20A. Estes valores

enquadram-se nas necessidades do projeto, dado que o valor máximo de tensão

esperado é de 400V, e uma corrente máxima de 4,5A fornecida pelo conjunto de painéis

solares fotovoltaicos.

Para interface do sinal de PWM gerado pelo microcontrolador com a gate do

MOSFET optou-se por um circuito de driver TC4422 do tipo high-speed produzido pela

Microchip Technology. Estes circuitos driver são ultrarrápidos com picos de correntes à

saída até 9A e com uma corrente contínua de 2A no máximo à saída.

Díodo

Sendo a frequência de comutação elevada é necessário que o díodo semicondutor

tenha como característica ser rápido, e que seja capaz de suportar os níveis de tensão e

corrente do circuito. O díodo escolhido foi o MUR1560, que suporta valor de tensão

que varia entre 100-600V e uma corrente de 15A. Este díodo é ultrarrápido em que o

tempo de recuperação que varia entre 35-60ns, que é tempo suficiente dado que o

intervalo entre as comutações é de 10µs (1/100kHz).



Condensadores de Saída

O condensador de saída é importante para filtrar a tensão de saída, e também tem

que ser capaz de armazenar energia para transferir para carga. A frequência de operação

do conversor CC-CC influencia na escolha do condensador. Para valores de frequência

elevadas os condensadores recomendados para serem usados como filtros de saída são

os de polipropileno. Porém, a capacidade dos condensadores de polipropileno é baixa.

Como solução foram ligados em serie dois condensadores eletrolíticos idênticos, e

estes foram ligados em paralelo com um condensador de polipropileno. Os

condensadores ligados em série de 475µF/385V filtram as baixas frequências e formam

um condensador com uma capacidade de 237µF/770V. E o condensador de 20uF/800V

filtra as frequências elevadas.

Aspeto do Conversor CC-CC do tipo Boost

Usando o software de desenho de circuitos impressos PADS foi possível desenhar

o circuito do conversor CC-CC do tipo boost, apresentado na Figura 4.4.

Figura 4.4 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CC do tipo boost.

4.3.2. Sistema de controlo do conversor CC-CC do tipo boost

Tal como referido anteriormente, para controlar o conversor CC-CC do tipo boost

foi usado um microcontrolador PIC18F4431. As principais características do

microcontrolador usado estão apresentadas na Tabela 4.2.

Entrada

CC

Sinais de

controlo

Alimentação

Condensador

de entrada

Ligação da

indutância

Saída CC

Condensadores

de saída

MOSFETDriver do

MOSFETDíodo

Resistências

de medida

Resistências

de medida



Tabela 4.2 – Principais características do microcontrolador PIC18F4431.

Características do microcontrolador Valor

Memória do programa tipo Flash

Memória de programa (kB) 16

Velocidade da CPU (MIPS) 10

Bytes da memória RAM 768

Memória de dados EEPROM (bytes) 256

Comunicações 1-A/E/USART, 1-SSP(SPI/I2C)

Captura/Comparação/PWM 2

Temporizadores 1x8-bit, 3x16-bit

ADC 9 canais, 10-bit

Gama de temperatura -40 à 125

Número de pinos 40

A placa desenvolvida para o microcontrolador pode ser vista na Figura 4.5. Os

elementos principais desta placa são os sinais de controlo que são enviados e recebidos

do conversor CC-CC do tipo boost, e pelos 4 sinais de comando que servem como

interruptores para ativar/desativar partes do código implementado no microcontrolador.

Figura 4.5 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de controlo do conversor

CC-CC do tipo boost.

Alimentação

Sinais do

programador

Sinais de comando

Sinais de

controlo

Microcontrolador



Para escrita e depuração do código foi usado o MPLAB X IDE v1.10, e para a

compilação foi usado o compilador MPLAB C40. O programador usado foi o PICkit 3

In-Circuit Debugger, ambas as ferramentas produzidas e recomendadas pela empresa

que desenvolve o microcontrolador PIC18F4431 a Microchip Technology.

O código implementado tem a função de controlar a tensão de saída do conversor

CC-CC do tipo boost a partir da potência disponível a sua entrada. Este método de

controlo é conseguido com recurso aos algoritmos de MPPT como já foi anteriormente

referido. O algoritmo MPPT implementado foi o de perturbação e observação (P&O).

Sensores de tensão e corrente

O microcontrolador para implementar o algoritmo de controlo necessita três

variáveis: a tensão e corrente do conjunto de painéis, e a tensão de saída do conversor

CC-CC do tipo boost. Um dos objetivos do projeto é a implementação de um sistema de

baixo custo, tendo em conta esta especificação os sensores escolhidos foram de baixo

custo.

Para medir os valores de tensão do sistema forma usados sensores resistivos, tanto

para medir a tensão à entrada como à saída.

A solução inicialmente pensada para medir a corrente do foi usar sensores de

corrente amplificadores com saída em tensão. Esta solução consiste em colocar uma

resistência de valor muito baixo em série com o circuito, uma vez passando corrente por

esta provoca uma diferença de potencial aos seus terminais que é amplificada e enviada

para o microcontrolador. Porém esta solução mostrou-se inviável, pois os

amplificadores operacionais selecionados na altura não apresentavam um bom

desempenho para a frequência de operação do conversor CC-CC de 100kHz. A solução

final encontrada para medir a corrente do sistema foi usar o sensor não isolado

produzido pela empresa Alegro, o ACS712, o circuito desenvolvido pode ser visto na

Figura 4.6. Este sensor mede valores de corrente de ±5A, e tem que ser alimentado com

uma alimentação de 5V. O princípio de funcionamento é simples, quando alimentado se

à corrente for nula a saída do sensor aparece uma tensão de 2,5V e para cada ±1A a

saída sofre uma alteração de ±185mV.



Figura 4.6 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o sensor de corrente.

4.3.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo Boost

Como estratégia para testar o funcionamento do conversor CC-CC do tipo boost,

o ensaio foi por partes. Inicialmente testou-se o controlo do conversor CC-CC do tipo

boost a elevar a tensão para um valor fixo pretendido, de seguida testou-se o controlo

com o MPPT.

Não sendo possível usar como fonte de energia o conjunto de painéis solares

fotovoltaicos no ambiente laboratorial, foi usado uma fonte CC para os testes que serão

apresentados de seguida. Nas simulações do CAPÍTULO 3 a relação entre a tensão de

entrada do sistema (238V) e a de saída (400V) é de cerca de 1,68 (400/238) logo,

admitindo uma tensão de entrada da fonte CC de 30V a saída será aproximadamente

50,4V (30*1,68). Na Figura 4.7 pode-se observar as formas de onda da tensão de

entrada e da tensão de saída do conversor CC-CC do tipo boost, que foram obtidas

usando o osciloscópio YOKOGAWA DL708E. Ainda nesta figura pode-se observar que

a tensão de entrada está ligeiramente acima do valor de 30V, o mesmo acontece com o

valor da tensão de saída que se encontra ligeiramente acima dos 50V.

Figura 4.7 – Tensão de entrada e de saída do conversor CC-CC do tipo boost.

ACS712

Sinais de alimentação

e sinal de saídaTerminal +

Terminal -

Tensão de saída

Tensão de entrada

10V/div

20µs/div



Validado o funcionamento a capacidade de elevar a tensão de entrada, passou-se

para o teste do controlo MPPT. O algoritmo de MPPT implementado foi o de

perturbação e observação como referido anteriormente que foi exposto em 2.4.2.

Com a indisponibilidade de usar um painel solar fotovoltaico, o modelo usado

para validar o controlo de MPPT é usando uma fonte de tensão CC não ideal. Uma fonte

de tensão CC não ideal é composta por fonte de tensão CC ideal em série com a sua

resistência interna como demostra o circuito elétrico da Figura 4.8.

Figura 4.8 – Circuito elétrico representativo de uma fonte de tensão não ideal

Para um sistema como o da Figura 4.8 o ponto de potência máxima fornecido pela

fonte ocorre quando a resistência de carga é igual à resistência interna da fonte

de tensão não ideal. O circuito em que se pretende verificar o funcionamento do MPPT

é um sistema composto por um conversor CC-CC do tipo boost como se pode ver na

Figura 4.9. Deste modo para a fonte o sistema é visto como uma resistência equivalente

que corresponde à relação da equação (4.5).

(4.5)

Para o sistema representado na Figura 4.9 o algoritmo de MPPT vai atuar no

conversor CC-CC por forma a controlar a corrente absorvida da fonte e dessa forma

ajustar o valor da resistência equivalente para o ponto de potência máxima.

Figura 4.9 – Esquema elétrico da ligação do sistema para o teste de funcionamento do algoritmo de

MPPT.

Ri

Vi Rc

+

-

Fonte de tensão não ideal

vf

if Legenda

Vi – Fonte de tensão ideal

Ri – Resistência interna

vf – Tensão da fonte não ideal

if – Corrente da fonte não ideal

Rc – Reistência de carga

Ri

Vi

+

-


vf

if

Conversor CC-CC do tipo boost



A potência na resistência de saída do conversor CC-CC quando o sistema é ligado

sem o algoritmo de MPPT ativo é de 9,83W (Figura 4.10 a)), quando o MPPT é ativado

este ajusta o sistema de modo a que passe a operar no ponto de máxima potência. Na

Figura 4.10 b). É possível verificar o novo valor da potência na resistência de saída. De

referir que na mesma figura é apresentada a tensão de saída do conversor CC-CC.

Figura 4.10 – Tensão e potência à saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Instante com o MPPT

desligado; (b) Instante com o MPPT ligado.

Alterando o valor da resistência em série com a fonte CC a potência disponível à

entrada do conversor CC-CC altera-se, emulando deste modo a perda ou ganho de

potência por parte do conjunto de painéis solares fotovoltaicos. A variação de potência

disponível tem efeito sobre o ponto de funcionamento do conversor CC-CC do tipo

boost, este acompanhando a variação de potência mantendo o sistema no ponto de

máxima potência. Na Figura 4.11 é possível verificar os resultados obtidos da emulação

do sistema quando este perde potência (Figura 4.11 a)) e quando este ganha potência

(Figura 4.11 b)). Referir que na mesma figura é apresentada a tensão de saída do

conversor CC-CC.

Figura 4.11 – Variação de potência e tensão de saída: (a) Perda de potência; (b) Ganho de potência.

(a) (b)

(a) (b)



4.4. Conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico

Um dos principais objetivos deste projeto de dissertação de mestrado é a

implementação de um sistema de bombagem de água de baixo custo. Deste modo

optou-se pela compra de um módulo de inversor de tensão trifásico em vez de construir

um inversor de raiz. Assim sendo somente é necessário desenvolver os circuitos de

interface e o respetivo sistema de controlo, que são descritos de seguida.

4.4.1. Módulo do conversor CC-CA do tipo VSI Trifásico

Existem no mercado atualmente várias empresas do ramo de equipamentos de

eletrónica de potência que têm desenvolvido diferentes topologias de inversor

integradas num módulo compacto. A empresa FAIRCHILD SEMICONDUCTOR

desenvolveu uma variada gama de SPM (Smart Power Modules) que podem ser

módulos monofásicos ou trifásicos, que usam MOSFET ou IGBT como semicondutores

de potência. Estas soluções apresentam várias vantagens, nomeadamente o facto de

serem mais eficientes, de baixo custo, robustas, em relação às soluções tradicionais [30].

Para acionar o motor da bomba de água o módulo selecionado foi o FCBS0550 de

500V-5A desenvolvido pela FAIRCHILD SEMICONDUCTOR, que pode ser visto na

Figura 4.12.

Figura 4.12 – Smart Power Module FCBS0550 (adaptada de [30]).

Este é um módulo trifásico composto por 6 MOSFET e seus circuitos de drive.

Pode-se dividir em dois lados: o de potência e o de controlo. No lado do controlo têm-se

o nível baixo e o nível alto. O nível baixo é composto um driver para os 3 MOSFET’s, e

o nível alto possui 3 drivers para cada um dos 3 MOSFET’s. O circuito interno pode ser

visto na Figura 4.13. Importa salientar que este módulo possui métodos de proteção

contra anomalias que possam comprometer o seu bom funcionamento, como por

exemplo curto-circuitos entre outros.

Vista de cima Vista de baixo



Figura 4.13 – Circuito interno do módulo FCBS0550 [30].

Os SPM têm baixo consumo, necessitando de uma fonte CC de 15V-60mA para o

alimentar. De frisar que para o nível alto é necessário o circuito bootstrap para gerar os

pulsos para os MOSFET. O circuito bootstrap é composto por um díodo, uma

resistência e um condensador. Este circuito tem como função evitar que a tensão na gate

dos MOSFET não baixe a ponto de ignorar os pulsos que lhe são aplicados. A placa

desenvolvida para o inversor pode ser vista na Figura 4.14.

Figura 4.14 – Placa de circuito impresso desenvolvida do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico.

Sinais de

comando

Circuitos

bootstrapAlimentação

Barramento

CC

Saída

trifásica

Lado de

controlo

Lado de

potênciaDissipador



4.4.2. Sistema de controlo

A placa de controlo do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico desenvolvida pode

ser vista na Figura 4.15. O código implementado nesta placa é do algoritmo V/F que

recebe o valor da tensão no barramento CC à saída do CC-CC, e mediante o valor desta,

regula a tensão e a frequência à saída do conversor CC-CA. Tal como a placa

desenvolvida para o sistema de controlo do conversor CC-CC, também possui 4 sinais

de comando que servem para ativar/desativar partes do código implementado no

microcontrolador.

Figura 4.15 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o microcontrolador de controlo do conversor

CC-CA do tipo VSI trifásico.

4.4.3. Resultados Experimentais do ensaio do Conversor CC-CC do tipo VSI

Trifásico

Depois de desenvolvido o hardware necessário para o conversor CC-CA do tipo

VSI trifásico, segue-se a fase de testes do próprio. Numa primeira verificou-se o

funcionamento do código implementado, validado o código ligou-se o sistema de

controlo ao conversor CC-CA trifásico com uma carga trifásica resistiva à saída. Por

fim comprovado o seu funcionamento foi ligada à saída do conversor o motor de

indução trifásico.

Para testar o controlo V/F do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, variou-se a

tensão no barramento CC ao longo do tempo, verificando se como consequência a saída

do conversor CC-CA alterava a sua amplitude e frequência como foi explicado

em 2.4.5. Antes de se ligar o sistema de controlo ao conversor CC-CA, foram retiradas

as formas de onda dos sinais de PWM enviados pelo microcontrolador às gates dos

Alimentação

Sinais do

programador

Sinais de comando

Sinais dos

sensores

Microcontrolador

Sinais de

controlo do

inversor



MOSFET, e que podem ser visualizados na Figura 4.16 e Figura 4.17. O controlo V/F

implementado é composto por 10 níveis de amplitude e frequência, na Figura 4.16 estão

representadas os sinais filtrados pelo osciloscópio para 4 níveis de tensão e amplitude à

saída do microcontrolador.

Figura 4.16 – Sinais de PWM filtrados à saída do microcontrolador: (a) Sinais a 50Hz; (b) Sinais a 40Hz;

(c) Sinais a 25Hz; (d) Sinais a 10Hz.

Alterando ao longo do tempo a variável de controlo do algoritmo de controlo V/F

é, necessário que este ajuste os sinais de PWM que são enviados para o conversor CC-

CA do tipo VSI trifásico. Na Figura 4.17 estão representadas o comportamento do

sistema quando a variável de controlo é alterada ao longo do tempo, onde é possível ver

os 10 níveis desde o mais baixo ao mais alto. A frequência varia entre 5 a 50Hz com

patamares de 5Hz e a amplitude da tensão varia entre 0,1 a 1 com patamares de 0,1 da

tensão do barramento CC. Os sinais com forma sinusoidal são resultado do filtro

aplicado pelo osciloscópio.

(a) (b)

(d)(c)

1V/Div

5ms/Div



Figura 4.17 – Comportamento do sistema para diferentes níveis da variável de referência: (a) Variável de

referência a crescer; (b) Variável de referência a decrescer.

Verificado o funcionamento do código implementado no microcontrolador,

efetuou-se a ligação do sistema de controlo ao conversor CC-CA do tipo VSI trifásico

com uma carga resistiva trifásica à saída. Para o barramento CC de entrada foi usado

uma fonte CC com 30V de tensão e as cargas resistivas eram de 33Ω cada. Na

Figura 4.18 estão representadas algumas formas de onda filtradas da tensão entre fases

obtidas à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico.

Figura 4.18 – Tensão entre fases do conversor CC-CA do tipo VSI: (a) Saída a 50Hz; (b) Saída a 40Hz;

(c) Saída a 30Hz; (d) Saída a 20Hz.

(a) (b)

1V/Div

200ms/Div

(a) (b)

(c) (d)

5V/Div

20ms/Div



Por fim foi ligado à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico o motor de

indução trifásico. O motor usado para emular o motor da bomba de água pode ser visto

na Figura 4.19. Na mesma figura é possível verificar as suas características elétricas.

Figura 4.19 – Motor de indução trifásico usado nos ensaios.

Para o ensaio do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico como driver do motor de

indução, a tensão do barramento CC foi elevada para 120V. E o motor foi alimentado

com os enrolamentos em estrela. Na Tabela 4.3 estão representadas alguns pontos de

funcionamento do motor quando operado com o controlo V/F.

Tabela 4.3 – Alguns pontos de funcionamento do motor.

Frequência (Hz) Velocidade de rotação (rpm)

50 1492

40 1186

30 874

20 564

10 298

As formas de onda da tensão entre fases filtradas aos terminais do motor podem

ser vistas na Figura 4.20. Nesta figura encontram-se representadas formas de onda para

três frequências de operação, nomeadamente 10, 30 e 50Hz.

Na Figura 4.21 estão representadas as formas de onda da tensão entre fases para as

mesmas frequências representadas na Figura 4.20, mas sem a filtragem.



Figura 4.20 – Tensão entre fases filtrada aos terminais do motor: (a) Tensão entre fases a 50Hz;

(b) Tensão entre fases a 30Hz; (c) Tensão entre fases a 10Hz.

Figura 4.21 – Tensão composta aos terminais do motor: (a) Tensão composta a 50Hz; (b) Tensão

composta a 30Hz; (c) Tensão composta a 10Hz.

50V/Div

20ms/Div

(a) (b)

(c)

100V/Div

20ms/Div

(a) (b)

(c)



A corrente do motor numa das fases para diferentes frequências pode ser vista na

Figura 4.22.

Figura 4.22 – Corrente do motor numa das fases: (a) Corrente a 50Hz; (b) Corrente a 30Hz; (c) Corrente a

10Hz.

Quando a variável de referência do controlo V/F varia, este ajusta a tensão e a

frequência de saída. Na Figura 4.23 está representado o efeito da variação desta variável

no sistema. Nomeadamente na tensão e frequência de saída.

Figura 4.23 – Comportamento do algoritmo V/F quando a variável de controlo varia.

4.5. Sistema de Bombagem de Água Alimentado por Painéis Solares

Fotovoltaicos

Na Figura 4.24 é possível observar a bancada de laboratório com todos os

componentes constituintes do sistema de bombagem, e os respetivos aparelhos de

medida usados.

(c)

(b)

(a)

200mV/Div

20ms/Div

50V/Div

100ms/Div



Figura 4.24 – Bancada de trabalho com o sistema desenvolvido.

4.5.1. Resultados Experimentais do ensaio do sistema de Bombagem de Água

Alimentado por Painéis Solares Fotovoltaicos

Depois de desenvolvidos e testados de forma independente os circuitos

constituintes do sistema, era necessário testar os dois circuitos a operarem em conjunto.

De início foram interligados os dois circuitos conversores, e em vez do motor foi

usado como carga uma carga resistiva trifásica à saída do conversor CC-CA do tipo VSI

trifásico. Deste modo a configuração do sistema é a que esta demonstrada na

Figura 4.25.

Figura 4.25 – Esquema do teste ao sistema de bombagem com uma carga resistiva.

Para emular os painéis foi usada uma fonte de tensão CC de 20V em série com um

reóstato que representa a resistência interna da fonte. Como carga foram usadas

resistências com 108Ω cada resistência. Quando o sistema é ligado pode verificar-se que

aparece um ripple de tensão tanto na entrada como na saída (ver Figura 4.26 a)). A

Osciloscópio

YOKOGAWA

DL708E

Fontes

CC

Motor

de

indução

Reóstato

Multímetros IndutânciaPlacas do

Microcontroladores

Placa do

conversor

CC-CC

Placa do

conversor

CC-CA

Wattímetro

WATTMETE

R ISW8000

Pinça

amperimétrica

Ri

Vi

+

-


vf

if

Conversor CC-

CC do tipo boost

com controlo

MPPT

Conversor CC-CA

do tipo VSI

trifásica com

controlo V/F

Carga

resistiva

trifásica



frequência de operação do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico está representada na

Figura 4.26 b). O valor de potência registrado é de cerca de 2,5W.

Figura 4.26 – Tensões do sistema com o MPPT desligado: (a) Tensão de entrada e saída do conversor

CC-CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA.

Quando o MPPT é ligado este ajusta o sistema de modo a que este opere no ponto

de potência máxima. Deste modo a tensão de entrada do conversor CC-CA baixa e a de

saída sobe, e a frequência de operação do conversor sobe de 30 para a 35Hz, como se

pode verificar na Figura 4.27. O valor da potência consumida pelo sistema passa a

4,65W.

Figura 4.27 – Tensões do sistema com o MPPT ligado: (a) Tensão de entrada e saída do conversor CC-

CC; (b) Tensão composta à saída do conversor CC-CA.

Na Figura 4.28 estão representadas as formas de onda da tensão composta à saída

do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, nos instantes em que o algoritmo de MPPT é

ativado (Figura 4.28 a)), e no instante em que é desativado (Figura 4.28 b)).

(a) (b)

Tensão de entrada

Tensão de saída

5V/Div

20ms/Div

5V/Div

10ms/Div

0

(a) (b)

Tensão de entrada

Tensão de saída

5V/Div

20ms/Div

5V/Div

10ms/Div

0



Figura 4.28 – Comportamento do sistema: (a) Instante em que o MPPT é ligado; (b) Instante em que o

MPPT é deligado.

Na Tabela 4.4 são apresentados os valores de operação do sistema quando se

altera a resistência interna da fonte (reóstato), o que tem como consequência a variação

do ponto de máxima potência.

Tabela 4.4 – Valores de operação do sistema quando este opera com pontos de máxima potência diferentes.

Potência (W) Frequência (Hz) Tensão de entrada (V) Tensão de saída (V)

13,5 50 14,2 31,3

8,3 45 12,9 26,2

6,6 40 11,1 24,6

4,7 35 9,7 21,7

2,8 30 8,4 18,8

1,5 25 6,8 15,3

0,8 20 5,4 12,4

0,3 15 4 9,4

Na Figura 4.29 estão representadas as formas de onda da tensão entre fases, para

alguns pontos de operação. As formas de onda da corrente numa das fases, para as

diferentes frequências pode ser vista na Figura 4.30.

(a) (b)

5V/Div

10ms/Div

5V/Div

10ms/Div



Figura 4.29 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico: (a) Tensão entre fases

a 50Hz; (b) Tensão entre fases a 25Hz; (c) Tensão entre fases a 15Hz.

Figura 4.30 – Corrente numa das fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico: (a) Corrente na

fase a 50Hz; (b) Corrente na fase a 25Hz; (c) Corrente na fase a 15Hz.

5V/Div

20ms/Div

(a) (b)

(c)

5V/Div

5ms/Div

5V/Div

10ms/Div

(a) (b)

(c)

20mV/Div

20ms/Div



A tensão de entrada e à saída do conversor CC-CC do tipo boost estão

representadas na Figura 4.31.

Figura 4.31 – Tensões na entrada e saída do conversor CC-CC do tipo boost: (a) Frequência da tensão de

saída de 50Hz; (b) Frequência da tensão de saída de 25Hz; (c) Frequência da tensão de saída 15Hz.

Na Figura 4.32 está representado as formas da onda da tensão entre fases à saída

do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico quando a potência disponível cresce.

Figura 4.32 – Tensão entre fases à saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico quando a potência

disponível varia.

(a) (b)

(c)

10V/Div

50ms/Div

10V/Div

20ms/Div

10V/Div

50ms/Div

Tensão de entrada

Tensão de saída

10V/Div

50ms/Div



Verificou-se também a resposta do sistema à variação em degrau da potência de

entrada. Para tal colocou-se uma resistência em paralelo com a resistência interna da

fonte (reóstato), e como o MPPT ativo, ligou-se a resistência provocando uma variação

instantânea no ponto de máxima potência do sistema. Na Figura 4.33 estão

representados os resultados obtidos, e que mostram a reação do sistema à variação em

degrau. Nesta mesma figura é possível verificar que a tensão de entrada do conversor

CC-CC do tipo boost baixa quase instantaneamente e a tensão de saída deste vai

crescendo lentamente. E verifica-se também que a frequência e a amplitude da tensão de

saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico adapta-se à nova condição de operação

do sistema.

Figura 4.33 – Resposta do sistema a variação da potência em degrau.

Uma vez validado o funcionamento do sistema no seu todo, o passo seguinte foi

ligar a saída do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico ao motor de indução trifásico.

Para que deste modo se possa verificar se o sistema era capaz de atuar sobre o motor tal

como foi comprovado no seu funcionamento com uma carga trifásica resistiva.

Para testar o sistema ligado ao motor foi montado o circuito representado na

Figura 4.25. A fonte de tensão não ideal foi composta por uma fonte de tensão CC de

120V com o reóstato em série. No instante em que se liga o sistema somente o

conversor CC-CA do tipo VSI trifásico se encontra ativo, enquanto o MPPT do

conversor CC-CC se encontra desativo. Nestas condições as formas de onda da tensão

entre fases filtrada aos terminas do motor estão representadas na Figura 4.34 a). Quando

o MPPT é ativado a potência do sistema cresce, tal como a tensão aos terminais do

motor e a frequência de operação, como está demonstrado na Figura 4.34 b).

Degrau

Tensão de entrada

Tensão de saída

Tensão entre fases

10V/Div

20ms/Div



Figura 4.34 – Tensão entre fases filtradas aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Instante inicial

MPPT desativado; (b) Instante com o MPPT ativado.

As tensões entre fases, não filtradas, aos terminais do motor de indução estão

representadas na Figura 4.35.

Figura 4.35 – Tensão aos terminais do motor de indução trifásico: (a) Tensões entre fases trifásicas;

(b) Tensão entre duas fases.

A estratégia usada para comprovar o funcionamento do sistema de controlo foi

alterando a resistência interna da fonte de tensão não ideal, que consequentemente altera

a potência disponível para o sistema. E verificar o efeito desta variação de potência

sobre o sistema. Na Figura 4.36 é possível verificar como o sistema se adapta a uma

variação de potência. Nesta figura estão representadas as formas de onda das tensões

entre fases quando a potência disponível aumenta.

20V/Div

10ms/Div

(a) (b)

20V/Div

10ms/Div

(a) (b)



Figura 4.36 – Comportamento do sistema para uma variação de potência (tensão entre fases aos terminais

do motor de indução trifásico).

Mais potência disponível significa um aumento da tensão de saída aos terminais

do conversor CC-CA do tipo VSI trifásico e aumento da frequência, logo mais

velocidade de rotação para o motor de indução trifásico. Menor potência terá o efeito

contrário. Na Figura 4.37 é possível verificar o efeito da variação da potência disponível

sobre a velocidade de rotação do motor. Para a potência de 47,0W a velocidade é de

922,3rpm e para potência de 65W a velocidade é 975,9rpm.

Figura 4.37 – Efeito da potência na velocidade do motor.

4.6. Conclusões

O presente capítulo apresentou o a implementação e os resultados experimentais

do sistema de bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Como

foi feito nas outras etapas do desenvolvimento do projeto, inicialmente foram

desenvolvidos e ensaiados de forma independente o conversor CC-CC do tipo boost e o

conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Finalmente foram interligados os dois sistemas

e testado o comportamento global.

O conversor CC-CC do tipo boost foi desenvolvido com base em componentes

adquiridos comercialmente, excetuando a indutância que foi desenvolvida pelo autor. À

20V/Div

20ms/Div



saída do conversor CC-CC foram usados condensadores com uma capacidade elevada,

para reduzir o ripple da tensão do barramento CC. Para o controlo deste conversor foi

implementado um algoritmo de MPPT que apresentou resultados satisfatórios. Importa

referir que uma das grandes dificuldades na implementação do algoritmo de MPPT foi a

leitura da corrente que é necessária para implementação do algoritmo de perturbação e

observação. A dificuldade encontrada deve-se ao facto de ser necessário encontrar

sensores de corrente de baixo custo que apresentassem um bom desempenho para a

frequência de operação do conversor CC-CC do tipo boost.

A bomba de água foi emulada por um motor de indução trifásico. O driver

desenvolvido para este motor foi o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico com o

controlo V/F. Como um dos objetivos deste trabalho de dissertação é um sistema de

baixo custo optou-se pela compra de um módulo de inversor trifásico também

designados por smart power module. Dado que o microcontrolador escolhido tem

capacidades de cálculo limitadas para implementar o algoritmo de MPPT e o controlo

V/F do conversor CC-CA, este último teve que ser implementado num outro

microcontrolador idêntico. Esta solução é economicamente mais vantajosa do que

utilizar um DSP.

Interligando o conversor CC-CC do tipo boost ao conversor CC-CA do tipo VSI

trifásico forma-se o conversor eletrónico fina. Usando uma fonte não ideal para

representar o conjunto de painéis solares fotovoltaicos e um motor de indução trifásico

para representar a bomba de água foi possível validar o funcionamento global do

sistema conforme o esperado.


CAPÍTULO 5

Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro

5.1. Conclusões

Neste trabalho de dissertação de mestrado foi desenvolvido um sistema de

bombagem de água alimentado por painéis solares fotovoltaicos. Este tipo de sistemas

desempenha um papel importante na resolução do problema de acesso a água potável.

Problema este que assola 18% da população mundial, que na sua maioria são povoações

que residem em zonas desérticas isoladas da rede de abastecimento de energia elétrica.

Nas zonas de difícil acesso isoladas do abastecimento de energia elétrica, os

sistemas baseados em energias renováveis como fonte de energia têm sido o recurso

para minorar os problemas diretamente relacionados com a falta de energia elétrica. Em

zonas desérticas e áridas em que o vento escasseia, a solução é usar a energia solar

como fonte de energia elétrica.

O estudo bibliográfico sobre os principais componentes do sistema de bombagem

de água alimentados por painéis solares fotovoltaicos, nomeadamente os sistemas de

bombagem, sistemas solares fotovoltaicos e os conversores eletrónicos, permitiu

selecionar uma topologia do sistema de bombagem mais adequada, de modo que esta

seja de baixa potência, custo reduzido e tenha uma elevada eficiência. A topologia

proposta é de baixa potência sendo composta pelo conjunto de painéis solares

fotovoltaicos produtores de energia, ligados a um conversor CC-CC do tipo boost

responsável por elevar a tensão dos painéis solares fotovoltaicos. Uma vez a tensão

elevada é invertida pelo conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, para alimentar o motor

de indução trifásico da bomba de água.

Para validar o sistema de bombagem de água proposto foram feitas simulações

computacionais, que permitiram ajustar os diferentes parâmetros do controlo por forma

a serem obtidos resultados satisfatórios. As simulações serviram para igualmente para

verificar o funcionamento dos componentes dimensionados e testar o algoritmo de

controlo a ser implementado.

Em sistemas elétricos em que são usadas fontes não lineares, como neste caso o

conjunto de painéis solares fotovoltaicos, é recomendado o uso de algoritmos de MPPT

para extração da máxima potência disponível. Ao controlo do conversor CC-CC do tipo

Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


boost foi adicionado o algoritmo de MPPT do tipo perturbação e observação. Em

aplicações de bombagem a precisão da velocidade do motor não é um fator importante,

mas sim o binário desenvolvido pelo motor. Deste modo o motor é acionado por um

conversor CC-CA do tipo VSI trifásico com um controlo do tipo V/F. O elemento

responsável por interligar todos os circuitos constituintes do sistema de bombagem de

água alimentado por painéis solares fotovoltaicos é o sistema de controlo. O sistema de

controlo implementado mostrou-se robusto por ser capaz de operar no ponto nominal,

ou seja, para a potência máxima produzida pelo conjunto de painéis solares

fotovoltaicos para as condições climatéricas ideais (S=1000W/ e T=25ºC), e em

regime transitório, quando ocorrem variação na potência produzida pelos painéis este

acompanhar tais variações.

O sistema de controlo responsável por interligar todos os circuitos foi previsto

para ser implementado num único microcontrolador de baixo custo, porém o

microcontrolador escolhido a quando a implementação do controlo revelou não ter

capacidade de efetuar o controlo para os dois conversores. Por esse motivo optou-se por

usar um microcontrolador para controlar cada conversor, o CC-CC do tipo boost e o

conversor CC-CA do tipo VSI trifásico. Esta opção sobressaiu-se em detrimento do uso

de outro microcontrolador com melhores capacidades por uma questão de custo. Tendo

ainda em mente a que um dos objetivos deste trabalho de dissertação de mestrado seria

o desenvolvimento de um sistema de baixo custo optou-se por adquirir comercialmente

o conversor CC-CA do tipo VSI trifásico, são módulos compactos conhecidos como os

smart power module que integram o circuito do conversor CC-CA. Estes módulos

apresentam as vantagens de serem eficientes, robustos, de baixo custo. O conversor CC-

CC do tipo boost foi desenvolvido com componentes adquiridos comercialmente

excetuando a indutância que foi construída pelo facto de ter características que requere

um desenho específico.

Para o protótipo do sistema de bombagem de água desenvolvido foram feitos

vários testes para verificar o funcionamento do hardware e do software desenvolvido.

Foram realizados testes sobre os conversores CC-CC e o CC-CA individualmente e

posteriormente a operarem em conjunto. O sistema foi capaz de extrair o máximo de

potência disponível na fonte não linear que foi usada para verificar o funcionamento do

algoritmo de MPPT, e transferir essa potência para o motor de indução trifásico que

simula a bomba de água.

De um modo geral é feita uma apreciação positiva da realização deste trabalho de

dissertação de mestrado, pois foi possível conciliar vários conceitos relacionados com

Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


eletrónica de potência, controlo, e microcontroladores que foram abordados ao longo do

curso de mestrado integrado em engenharia eletrónica industrial e de computadores.

Sendo possível também aprofundar conceitos relacionados à pesquisa, uso de softwares

de simulação de circuitos elétricos, softwares de desenvolvimento de placas de circuito

impresso.

5.2. Sugestões de Trabalho Futuro

Como foi demonstrado o sistema de bombagem de água alimentado por painéis

solares fotovoltaicos desenvolvido apresenta uma boa resposta no que se refere a

extração e transferência do máximo de potência disponível na fonte não linear para o

motor de indução trifásico que representa a bomba água. Porém os testes feitos foram

para os valores nominais e não usaram um conjunto de painéis solares fotovoltaicos

como fonte de energia, nem uma bomba de água. Por esse motivo sugere-se como

trabalho futuro usar estes componentes do sistema de bombagem, uma vez que o

hardware desenvolvido está preparado para as potências nominais que foram usadas nas

simulações.

A plataforma PIC onde foi implementado o sistema de controlo mostrou-se não

ser autossuficiente para controlar todo o sistema, sugere-se a pesquisa por um

plataforma que possa conciliar elevado desempenho com baixo custo. Deste modo seria

possível implementar algoritmos de controlo mais eficientes, nomeadamente outros

algoritmo de MPPT e o algoritmo de controlo do motor.

Outra sugestão interessante seria o desenvolvimento de um sistema de bombagem

de água alimentado por painéis solares com armazenamento de energia usando baterias.

Deste modo seria possível bombear água durante o dia em que há sol, e durante a noite a

carga armazenada nas baterias poderia ser usada para iluminação.


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