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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UMA MOTOBOMBA VIBRATRIA SUBMERSA ALIMENTADO POR ENERGIA

SOLAR FOTOVOLTAICA

Rmulo Leite Ramos

Fortaleza Fevereiro de 2008

ii

RMULO LEITE RAMOS

SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UMA MOTOBOMBA VIBRATRIA SUBMERSA ALIMENTADO POR ENERGIA

SOLAR FOTOVOLTAICA

Dissertao submetida Universidade Federal

do Cear como parte dos requisitos para

obteno do grau de Mestre em Engenharia

Eltrica.

Orientador: Prof. Dr. Ren Pastor Torrico

Bascop

Fortaleza Fevereiro de 2008

iii

RMULO LEITE RAMOS

SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UMA MOTOBOMBA VIBRATRIA SUBMERSA ALIMENTADO POR ENERGIA

SOLAR FOTOVOLTAICA

Esta dissertao foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia e Acionamentos, e

aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal do Cear.

___________________________________

RMULO LEITE RAMOS

Banca examinadora:

iv

A Deus,

minha me Maria Marieta,

Ao meu pai Jos Armando,

Aos meus dois irmos Caio e Gustavo,

Eu dedico esse trabalho.

v

AGRADECIMENTOS

FUNCAP que contribuiu com apoio financeiro necessrio realizao desse

trabalho e desenvolvimento cientfico. Ao GPEC por fornecer o espao fsico e os

equipamentos e componentes necessrios ao projeto.

Ao professor Ren Pastor Torrico Bascop por suas valiosas orientaes, amizade,

fora e disponibilidade durante todo este tempo. Agradeo a confiana em mim depositada,

oportunidade de trabalhar e aprender. Gostaria tambm de agradecer aos professores Ccero

Tavares, Demercil de Souza, Fernando Antunes, Jos Carlos, Luiz Henrrique, Otaclio da

Mota e Ricardo Th, por todas aos seus ensinamentos e colaboraes desde o incio do curso

nas disciplinas at a execuo do projeto. Tambm aos funcionrios do Departamento de

Engenharia Eltrica da UFC, Conceio, Rafael e Mario, responsveis diretamente ou

indiretamente pela minha formao no programa de Mestrado e em especial ao funcionrio e

amigo Pedro Augusto que me ajudou muito na parte de montagens do projeto.

Aos amigos e colegas de mestrado Andr, Edilson, Elmano, ber, George, Gustavo,

Halisson, Hermnio, Isaac, Lucas, Mnica, Nelber, Paulo Praa, Ranoyca, Raphael, Srgio

Daher e Tobias, por todas as horas de companheirismo e etapas que foram vencidas.

A todos meus familiares e a minha namorada pelo apoio que me deram em todas as

minhas horas de estudo e dedicao ao mestrado. A todas as pessoas que por motivo de

esquecimento no foram citadas anteriormente, vou deixando neste espao minhas sinceras

desculpas.

vi

RESUMO

Resumo da dissertao apresentada Universidade Federal do Cear como parte dos

requisitos para obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica.

SISTEMA DE ACIONAMENTO DE UMA MOTOBOMBA VIBRATRIA SUBMERSA ALIMENTADO POR ENERGIA

SOLAR FOTOVOLTAICA

RMULO LEITE RAMOS

Mesmo nos dias atuais, a falta de gua e energia eltrica em muitas localidades

afastadas dos grandes centros, so problemas sociais que devem ser solucionados. Em alguns casos o bombeamento de gua em poos utilizando energia solar pode ser uma soluo competitiva e vivel. Este trabalho apresenta um sistema alimentado por energia solar fotovoltaica com o objetivo de acionar uma motobomba vibratria submersa utilizada para o bombeamento de gua. O conversor composto de dois estgios. O primeiro estgio formado por uma topologia boost de trs estados com alto ganho e alto rendimento. Neste conversor se utiliza uma tcnica de controle que busca seguir o ponto de mxima potncia (MPPT) para conseguir um melhor aproveitamento da energia. O segundo estgio formado por um inversor de tenso em ponte completa. O inversor opera em baixa freqncia com uma estratgia de modulao PWM convencional com largura de pulso fixa, para minimizar as perdas. Um rendimento global mdio de 90,5% obtido. Anlise qualitativa e quantitativa dos conversores e resultados experimentais, obtidos de um prottipo de 400W, so apresentados.

Nmero de paginas: 120

Palavras-Chave: Eletrnica de Potncia, motobomba vibratria submersa, energia solar, boost,

sistema de bombeamento.

vii

ABSTRACT

Abstract of dissertation presented at Cear Federal University as partial of fulfillment of the

requirements for the Master degree of in Electrical Engineering.

DRIVE SYSTEM OF A SUBMERGED VIBRATORY PUMP POWERED BY PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY

RMULO LEITE RAMOS

Even nowadays, the lack of water and electricity in many localities distant from the

main centers, are social problems that must be solved. In some cases the water pumping using solar energy can be a competitive and viable solution. This paper presents a DC-AC converter, powered by photovoltaic solar energy, with the objective of to drive a submerged vibratory water pump. The converter consists of two stages. The first stage comprises a three-state boost converter with high gain and high efficiency. In this converter its used a technique of control that seeks the maximum power point (MPPT), for a more efficient conversion. The second stage comprises a full-bridge voltage source inverter. The inverter operates at low frequency with a conventional fixed pulse width modulation strategy, to minimize the losses. An overall average efficiency of 90.5% is obtained. Qualitative and quantitative analysis of converters and experimental results, obtained from a prototype of 400W, are presented.

Number of pages: 120

Keywords: Power Electronics, submerged vibratory pump, solar energy, boost converter,

pumping system.

viii

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... xi

LISTA DE TABELAS .................................................................................................... xiv

SIMBOLOGIA ................................................................................................................ xv

INTRODUO GERAL ................................................................................................... 1

CAPTULO 1..................................................................................................................... 3

A ENERGIA SOLAR PARA UTILIZAO EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE

GUA ............................................................................................................................... 3

1.1 Introduo .............................................................................................................. 3

1.2 A importncia da gua............................................................................................ 3

1.3 A importncia da energia eltrica............................................................................ 4

1.4 Soluo .................................................................................................................. 5

1.4.1 A energia solar................................................................................................ 5

1.4.2 Motobomba .................................................................................................... 7

1.4.3 Motobomba vibratria submersa..................................................................... 8

1.5 Estado da arte ....................................................................................................... 10

1.5.1 Inversor push-pull paralelo ressonante .......................................................... 10

1.5.2 Inversor full-bridge com transformador......................................................... 13

1.6 Sistema proposto .................................................................................................. 15

1.7 Concluso............................................................................................................. 17

Captulo 2 ........................................................................................................................ 18

ANLISE DO CONVERSOR BOOST DE ALTO GANHO............................................ 18

2.1 Introduo ............................................................................................................ 18

2.2 Topologia do conversor boost de alto ganho ......................................................... 18

2.3 Modos de conduo.............................................................................................. 19

2.3.1 Etapas de operao para o modo de conduo contnua................................. 20

2.3.2 Principais formas de onda para o modo de conduo contnua ...................... 22

2.3.3 Determinando os intervalos de tempo para o modo de conduo contnua..... 24

2.3.4 Determinao do ganho esttico para o modo de conduo contnua ............. 24

2.3.5 Etapa de operao para o modo de conduo descontnua ............................. 26

2.3.6 Principais formas de onda para o modo de conduo descontnua ................. 28

2.3.7 Determinao do ganho esttico para o modo de conduo descontnua........ 30

2.3.8 Modo de conduo crtica .........................

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