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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

FBIO JOS LIMA FREIRE

MICROINVERSOR MONOFSICO BASEADO NA DERIVAO DA TOPOLOGIA

FLYBACK PARA SISTEMA DE GERAO FOTOVOLTAICA

FORTALEZA

2015

FBIO JOS LIMA FREIRE

MICROINVERSOR MONOFSICO BASEADO NA DERIVAO DA TOPOLOGIA

FLYBACK PARA SISTEMA DE GERAO FOTOVOLTAICA

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal do Cear, como parte dos

requisitos para obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Eltrica.

rea de concentrao: Sistemas de Energia

Eltrica

Orientador: Prof. Paulo Peixoto Praa, Dr.

Coorientador: Prof. Demercil de Souza Oliveira

Jnior, Dr.

FORTALEZA

2015

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao

Universidade Federal do Cear

Biblioteca de Ps-Graduao em Engenharia - BPGE

F933m Freire, Fbio Jos Lima.

Microinversor monofsico baseado na derivao da topologia flyback para sistema de gerao

fotovoltaica / Fbio Jos Lima Freire. 2015.

160 f. : il. color., enc. ; 30 cm.

Dissertao (mestrado) Universidade Federal do Cear, Centro de Tecnologia, Departamento

de Engenharia Eltrica, Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, Fortaleza, 2015.

rea de Concentrao: Sistemas de Energia Eltrica.

Orientao: Prof. Dr. Paulo Peixoto Praa.

Coorientao: Prof. Dr. Demercil de Souza Oliveira Jnior.

1. Engenharia eltrica. 2. Conversores. 3. Gerao de energia fotovoltaica. I. Ttulo.

CDD 621.3

Deus.

minha famlia e meus amigos.

AGRADECIMENTOS

Agradecer inicialmente ao GPEC por disponibilizar o espao fsico, os

equipamentos e os componentes semicondutores fundamentais para a realizao da presente

pesquisa.

Aos meus orientadores, os professores Dr. Paulo Peixoto Praa e Dr. Demercil

Oliveira, pelas contribuies e confiana neste trabalho. Aos membros da banca examinadora,

os professores Dr. Luiz Henrique Silva Colado Barreto e Raphael Amaral da Cmara que

dispuseram e dedicaram seu tempo em ler e realizar suas consideraes. Aos professores, Dr.

Ccero Marcos Tavares, Dr. Paulo Carvalho, Dr. Paulo Praa e Dr. Luiz Henrique, aos tcnicos

do Departamento de Engenharia Eltrica e ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia

Eltrica PPGEE da Universidade Federal do Cear UFC.

Aos meus companheiros de ps-graduao, especialmente ao Allan, ao Samuel, ao

Juliano, ao Bruno e ao Luan Mazza, que contriburam diretamente para elaborao desse

trabalho. Ao meu amigo Deivid Matias que sempre me incentivou e participou desse estudo.

Como tambm cabe agradecimentos aos meus amigos de Limoeiro do Norte: Neilton, Evandro,

Marcello, Rodnei e as amizades que foram construdas no Laboratrio do GPEC e LCE: Davi,

Esio, Welton, Barbosa, Heron, Dalton, Amaury, Fernando, Lucas, Antnio, Bruno, dentre

outros. A Professora Vilma Grazielle pelas observaes e viso detalhista nas correes desta

pesquisa.

A minha famlia, meus pais, Maria de Ftima Lima Freire e Jos Domingos Freire,

minha irm, Rute Fabiana Lima Freire. Enfim, a todos aqueles que sempre me motivaram na

concluso desta etapa profissional e acadmica em minha vida e aqueles que estiveram

presentes nas discusses e melhorias deste trabalho. Muito obrigado a todos!

RESUMO

A pesquisa desenvolve o projeto e a implementao de um microinversor monofsico de estgio

nico obtido da derivao de quatro conversores flybacks CC-CC operando no modo

descontnuo e associado em mdulos paralelos. Este arranjo reduz o volume dos magnticos,

diminui os esforos de correntes nos primrios dos transformadores, bem como minimiza as

oscilaes no mdulo fotovoltaico. Em meio as principais propriedades do microinversor

flyback (MIF) desta pesquisa, as chaves dos primrios atuam com comutao SPWM em alta

frequncia e defasadas em cento e oitenta graus, enquanto as chaves dos secundrios so

comandadas por PWMs complementares. Para validar a pesquisa ser desenvolvido um

prottipo que efetuar o processamento de energia interligando um painel fotovoltaico com 200

W de potncia, em cargas resistivas com caractersticas senoidais. O sistema proposto est

fundamentado na configurao mdulo inversor integrado (MIC), que por sua vez, possui

menores perdas nos semicondutores e elementos magnticos da topologia, quando comparado

aos complexos sistemas fotovoltaicos centralizados. Dentre as aplicaes do microinversor

flyback encontram-se: abastecimento de sistemas remotos, alimentao de aparelhos

eletroeletrnicos, pequenas estaes de bombeamentos de gua, conexes a rede eltrica, entre

outros. Apesar da baixa potncia, o microinversor apresenta caractersticas eltricas essenciais

a insero na matriz energtica, tais como: isolao entre a fonte e a carga, formas de ondas de

tenses e correntes na sada com pequenas distores e na frequncia da rede. Os resultados

obtidos em laboratrio revelam que o microinversor flyback operando em malha aberta obtm

rendimentos prximos a 90%, sendo entregue carga cerca de 180 W. Sendo assim, a facilidade

na construo, a utilizao de poucos componentes e os resultados coletados

experimentalmente habilitam o microinversor flyback a realizar a converso CC-CA de

sistemas fotovoltaicos de pequenas potncias conectados em cargas lineares monofsicas com

caractersticas senoidais ou interligados rede eltrica.

Palavras-Chaves: Comutao SPWM. Converso CC-CA. Estgio nico. Malha aberta. Modo

descontnuo. Mdulo fotovoltaico. Monofsico.

ABSTRACT

The study proposes the design and implementation of a single phase inverter of single stage

obtained the derivation of four flybacks converters CC-CC operating in discontinuous mode

and associated in parallel modules. This arrangement reduces the amount of magnetic and

decreases current efforts in primary transformers and minimizes fluctuations in photovoltaic

module. Among the main properties of micro inverter flyback (MIF) this research, the primary

keys work with SPWM switching at high frequency and lagged in one hundred and eighty

degrees, while the secondary keys are controlled by PWM's complementary. To validate the

research, we will develop a prototype that will effect the processing power connecting a

photovoltaic panel with 200W power in resistive loads with senoidais characteristics. The

proposed system is based on the configuration of the integrated module drive (MIC), which, in

turn, has lower losses in the semi-conductors and magnetic elements of the topology, when

compared to complex centralized photovoltaic systems. Among the applications of micro

inverter flyback are: supply of remote systems, power electronics devices, small water pumping

stations, connections to the grid, among others. Despite the low power, micro inverter has

electrical characteristics essential for the insertion in the energy matrix, such as: insulation

between the source and the load, types of voltages and currents waves in output with little

distortion and frequency of the network. The results obtained in the laboratory show that the

micro inverter flyback operating in open loop gets yields close to 90% being delivered to the

load about 180W. Thus, the ease of construction, the use of fewer components and results

collected experimentally enable the micro inverter flyback to perform the CC-CA conversion

of photovoltaic systems of small powers connected in single-phase linear loads with senoidais

characteristics or interconnected to the electric grid.

Key-Words: SPWM switching. DC-AC conversion. Single stage. Open loop. Discontinuous

mode. Photovoltaic module. Single phase.

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1.1 - (a) Sistema MCI em um nico painel; (b) Sistema MCI em associao de painis 3

Figura 2.1 - Circuito do conversor flyback a dois interruptores ................................................. 8

Figura 2.2 - Microinversor flyback a quatro transistores .......................................................... 11

Figura 2.3 - Microinversor flyback usando interface de amortecimento APDS. ...................... 14

Figura 2.4 - Conexes para os conversores CC-CC de duas portas: (a) Paralelo-paralelo (b)

Paralelo-Srie (c) Srie-Paralelo (d) Srie-Srie ................................................... 16

Figura 2.5 - Microinversor flyback de nico estgio associado em paralelo ............................ 18

Figura 2.6 - Microinversor flyback Hbrido.............................................................................. 19

Figura 2.7 - Topologia do MIF: (a) Esquemtico do primrio; (b) Esquemtico do

secundrio. ............................................................................................................. 22

Figura 2.8 - Diagrama esquemtico do flyback com representao da disperso .................... 24

Figura 3.1 - Corrente no secundrio nos modos: a) Modo de conduo contnua; b) Modo de

conduo Limite; c) Modo de conduo descontnua ........................................... 26

Figura 3.2 - Circuito equivalente do MIF no SP .....................................................................

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