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Universida<strong>de</strong> Tecnológica Fe<strong>de</strong>ral do Paraná<br />
Departamento Acadêmico <strong>de</strong> Eletrotécnica<br />
Curso <strong>de</strong> Engenharia Elétrica<br />
Curso <strong>de</strong> Engenharia <strong>de</strong> Controle e Automação<br />
ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE CONVERSOR CC/CC NÃO<br />
ISOLADO E COM ELEVADO GANHO ESTÁTICO PARA APLICAÇÕES<br />
EM FONTES RENOVÁVEIS<br />
Prof. Roger Gules, Dr. Eng), rgules@gmail.com<br />
Carlos Daniel Montagna Batista, cdm@live.no<br />
Eduardo Kamaroski Neto, eduardo_k.neto@hotmail.com<br />
1 <strong>UTFPR</strong> / Av. Sete <strong>de</strong> Setembro,3165 / CEP: 80.230-901 / Curitiba-PR<br />
Resumo: O objetivo do presente trabalho é o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> uma topologia nova <strong>para</strong> conversor CC/CC não<br />
isolado, <strong>de</strong> alto ganho estático, baseado em modificações no boost padrão, <strong>para</strong> aplicações em fontes renováveis.<br />
Diversas topologias <strong>de</strong> conversores CC/CC são analisadas, e a topologia proposta é a mescla das tecnologias <strong>de</strong><br />
capacitor chaveado, indutor acoplado, e estrutura multifase. O protótipo <strong>de</strong>senvolvido obteve eficiência <strong>de</strong> 85%,<br />
abrindo caminho <strong>para</strong> o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> novas topologias que fomentem ainda mais a disseminação da utilização<br />
<strong>de</strong> fontes <strong>de</strong> energia mais sustentáveis.<br />
Palavras-chave: Conversores CC/CC, Conversor Boost, Energias Renováveis, Processamento Eletrônico <strong>de</strong> Potência.<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
Há milhares <strong>de</strong> anos, o petróleo tem sido utilizado por povos antigos. A partir da década <strong>de</strong> 1930, entretanto, seu<br />
uso cresceu exponencialmente, quando tornou-se a força motriz com o fomento dos motores a combustão interna. Na<br />
mesma medida que veio o progresso, surgiram os conflitos <strong>de</strong>vido ao precioso óleo. Das crises da década <strong>de</strong> 70, até a<br />
recente guerra ao Iraque, o petróleo tem sido o protagonista <strong>de</strong> intensas disputas.<br />
Mais recentemente, a preocupação ambiental vem tornando mais visível o real efeito <strong>de</strong>vastador <strong>de</strong> economias tão<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntes dos combustíveis fósseis. Atualmente, é inquestionável a associação entre os gases emitidos na queima<br />
<strong>de</strong>stes combustíveis com o efeito estufa.<br />
As matrizes energéticas tem sido então, questionadas por todos os níveis da socieda<strong>de</strong> quanto à sua capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
serem sustentáveis – tanto no que se refere às relações entre os povos como na capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> suprirem a <strong>de</strong>manda pelo<br />
crescimento <strong>de</strong> forma aliada à preservação do meio.<br />
As fontes renováveis <strong>de</strong> energia, tais como a solar, eólica e células a combustível; tem recebido fortes<br />
investimentos, tanto no setor privado como estatal, por representarem o rompimento com o panorama extremado <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>pendência e impactos ambientais.<br />
Contudo, estas fontes contém uma série <strong>de</strong> <strong>de</strong>safios tecnológicos que <strong>de</strong>vem ser superados afim <strong>de</strong> que sua<br />
disseminação e acesso à mercados restritos seja factível. A maior das barreiras <strong>para</strong> a suplantação dos combustíveis<br />
fósseis pelas energias renováveis é o seu custo <strong>de</strong> operação. Por se tratarem <strong>de</strong> equipamentos <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia que,<br />
em geral, operam em escala <strong>de</strong> potência muito reduzida quando com<strong>para</strong>do às fontes tradicionais, seu custo por kWh<br />
gerado é bastante superior.<br />
Neste contexto, o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> novas tecnologias que venham a prover <strong>de</strong> melhorias na eficiência,<br />
aplicabilida<strong>de</strong> e retorno financeiro das tecnologias em geração por fontes limpas, são essenciais <strong>para</strong> que a matriz<br />
energética seja, efetivamente, alinhada com as atuais expectativas <strong>de</strong> sustentabilida<strong>de</strong>.<br />
As fontes geradoras por energia renovável apresentam, em sua maioria, tensão <strong>de</strong> saída com baixos valores <strong>de</strong><br />
amplitu<strong>de</strong> e em corrente continua. Quando analisadas perante um sistema em corrente alternada e com valores bastante<br />
superiores <strong>de</strong> tensão, estas fontes apresentam entraves na aplicabilida<strong>de</strong>.<br />
Inúmeras são as soluções existentes no mercado <strong>para</strong> executar a conversão CC/CA, com elevados índices <strong>de</strong><br />
eficiência. Estes dispositivos, entretanto, necessitam <strong>de</strong> tensões típicas <strong>de</strong> alimentação em torno <strong>de</strong> 400V. Em uma<br />
situação <strong>de</strong> utilização com células a combustível, on<strong>de</strong> a tensão <strong>de</strong> saída típica é em torno <strong>de</strong> 40V, o ganho estático<br />
necessário seria <strong>de</strong> um conversor CC/CC elevador seria <strong>de</strong> <strong>de</strong>z vezes o valor da entrada. As soluções existentes no<br />
mercado <strong>para</strong> esta situação são escassas, e raramente focadas às necessida<strong>de</strong>s específicas das fontes renováveis, tais<br />
como a alta eficiência, portabilida<strong>de</strong> e baixo custo.<br />
Há, <strong>de</strong>sta forma, uma necessida<strong>de</strong> imperiosa do <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> novas topologias <strong>de</strong> elevação CC/CC. O<br />
<strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> tecnologias nesta área representa um ganho direto na disseminação da geração limpa.
D AE L T – D e p a r t a m e n t o A c a d ê m i c o d e E l e t r o t é c n i c a / U T F P R – U n i v e r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á<br />
2. TOPOLOGIAS DE CONVERSÃO CC/CC<br />
O conversor elevador <strong>de</strong> tensão clássico é o da topologia boost, ilustrada na Fig. (1) . Seu funcionamento é bastante<br />
simples, dividido em dois estágios. No primeiro instante, a chave S encontra-se fechada e o indutor L é carregado.<br />
Quando a chave abre, a energia armazenada no indutor, juntamente com a oriunda da fonte, são fornecidas à carga R,<br />
traduzindo em elevação <strong>de</strong> tensão.<br />
Figura 1. Topologia boost clássica<br />
O ganho estático do boost clássico é <strong>de</strong>finido através da Eq.(1), on<strong>de</strong> D é a razão cíclica <strong>de</strong> chaveamento.<br />
A Eq.(1) sugere que o ganho estático do conversor po<strong>de</strong>ria ser infinito, <strong>de</strong>s<strong>de</strong> que a razão D fosse suficientemente<br />
alta. Entretanto, esta equação não leva em conta as perdas na chave, o que fazem o ganho estático do boost ser limitado<br />
a cinco na prática, bastante inferior ao necessário <strong>para</strong> uma aplicação em fontes renováveis.<br />
Desta forma, o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> novas topologias é necessário <strong>para</strong> incrementar o ganho estático.<br />
2.1. Conversores <strong>de</strong> Alto Ganho Estático<br />
A tecnologia <strong>de</strong> capacitores chaveados permite a obtenção <strong>de</strong> ganhos estáticos bastante superiores aos obtidos pelo<br />
boost padrão. A topologia é exibida na Fig.(2). Seu funcionamento se dá através do chaveamento enca<strong>de</strong>ado dos<br />
capacitores, entretanto a complexida<strong>de</strong> <strong>de</strong> controle do circuito é gran<strong>de</strong>.<br />
Figura 2. Topologia com capacitores chaveados<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Li e He (2010).<br />
Indutores po<strong>de</strong>m ser acoplados <strong>para</strong> funcionar como fontes <strong>de</strong> tensão, e assim, incrementar o ganho estático,<br />
conforme exibido na Fig. (3). Apesar da capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> obtenção <strong>de</strong> um alto ganho estático, através da relação <strong>de</strong><br />
transformação dos acoplamento, o circuito opera sob comutação dissipativa e as perdas são relevantes.<br />
Figura 2. Topologia com indutor acoplado<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Li e He (2010).<br />
As estruturas apresentadas po<strong>de</strong>m ainda ser distribuídas em uma combinação multifase, isto é, ramos adicionais do<br />
circuito são adicionados em <strong>para</strong>lelo, e o funcionamento das chaves é distribuído ao longo do período <strong>de</strong> chaveamento.
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2.2. Topologia Proposta<br />
A topologia proposta <strong>para</strong> <strong>de</strong>senvolvimento do novo conversor CC/CC é exibida na Fig. (3). A topologia usa os<br />
princípios do indutor acoplado, capacitor chaveado e estrutura multifase. Estão <strong>de</strong>stacados os elementos que<br />
configuram este <strong>de</strong>senvolvimento como inédito, que são os enrolamentos secundários nos indutores, L S1 e L S2 , e os<br />
diodos <strong>de</strong> recuperação reversa, D R1 e D R2. A contribuição dos diodos <strong>de</strong> recuperação é oferecer um caminho alternativo<br />
à energia <strong>de</strong> dispersão do acoplamento <strong>de</strong> indutores e permitir que os capacitores sejam carregados com ela.<br />
Figura 3. Topologia proposta<br />
O acoplamento magnético, associado com as estruturas dos capacitores multiplicadores C M1 e C M2 irá permitir a<br />
obtenção <strong>de</strong> altos valores <strong>de</strong> ganho estático. O funcionamento do circuito é dividido em oito estágios, entretanto, como<br />
a estrutura é multifase, os quatro primeiros são análogos aos quatro últimos, sendo que a análise proce<strong>de</strong>nte se limitará a<br />
quatro estágios. O valor da razão cíclica consi<strong>de</strong>rada é D=0,8 e os indutores operam em condução contínua.<br />
(a) (b) (c) (d)<br />
Figura 4. Estágios <strong>de</strong> Funcionamento<br />
O primeiro estágio, ilustrado pela Fig.(4.a) ocorre quando ambas as chaves estão acionadas. A fonte carrega os<br />
enrolamentos primários dos indutores, e o capacitor C S alimenta a carga na saída. O próximo estágio <strong>de</strong> funcionamento,<br />
<strong>de</strong>finido na Fig.(4.b) ocorre quando a chave S 2 abre. Neste instante, o capacitor multiplicador C M1 recebe energia da<br />
fonte, o enrolamento primário L P2 começa a se <strong>de</strong>scarregar em seu secundário, que fornece energia à carga, juntamente<br />
com C M2 . No momento em que o capacitor C M2 está completamente carregado, inicia-se o terceiro estágio, ilustrado<br />
pela Fig.(4.c) e o acoplamento magnético atinge seu estado máximo <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarregamento. Quando a chave S 2 é<br />
novamente acionada, caracterizando o último estágio, ilustrado pela Fig.(4.d) a corrente <strong>de</strong> recuperação reversa do<br />
diodo D S2 polariza o diodo <strong>de</strong> recuperação D R2 , permitindo que a energia <strong>de</strong> dispersão do acoplamento seja recuperada e<br />
entregue ao capacitor C M2 e ao enrolamento L S2 . No próximo estágio, S 1 é comutada e o circuito segue com operação<br />
análoga ao analisado.<br />
O ganho estático obtido pela topologia é expresso pela Eq.(2). Consi<strong>de</strong>rando uma entrada com 24V, D=0,8 e<br />
relação <strong>de</strong> transformação n=2, a saída é 432V.<br />
( )<br />
Equação 2. Ganho estático do conversor
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2.3. Implementação Prática<br />
O conversor em funcionamento po<strong>de</strong> ser verificado na Fig. (5), em um protótipo <strong>de</strong> 200W. Na ilustração, duas<br />
lâmpadas <strong>de</strong> 100W/220V conectadas em série são plenamente acesas a partir <strong>de</strong> uma associação em série <strong>de</strong> duas<br />
baterias estacionárias. A tensão <strong>de</strong> saída obtida foi <strong>de</strong> 489,4V, com entrada <strong>de</strong> 22,99V.<br />
Figura 5. Conversor proposto em funcionamento<br />
O rendimento do conversor po<strong>de</strong> ser observado através da curva ilustrada na Fig (6). Para a potência nominal <strong>de</strong><br />
operação, em 200W, o conversor apresentou um rendimento <strong>de</strong> 85%.<br />
3. CONCLUSÕES<br />
Figura 6. Curva <strong>de</strong> rendimento do conversor<br />
O <strong>de</strong>senvolvimento do presente trabalho corrobora a tese <strong>de</strong> que o campo <strong>para</strong> <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> novas<br />
topologias em conversores CC/CC é bastante promissor. O protótipo <strong>de</strong>senvolvido, ainda que limitado perante as<br />
características não-lineares oriundas da construção artesanal dos indutores, apresentou rendimento satisfatório quando<br />
analisado na situação <strong>de</strong> plena carga.<br />
A entrada em comutação do circuito é suave, ou seja, não há perda <strong>de</strong> potência. Entretanto, no momento <strong>de</strong> abertura<br />
das chaves, a corrente perdura no componente, gerando perdas sensíveis. O próximo estágio no <strong>de</strong>senvolvimento da<br />
topologia é o atingimento da comutação suave também na abertura da chave. Isto permitirá trabalhar em frequências<br />
mais elevadas, com um protótipo <strong>de</strong> menores dimensões e eficiências mais altas.<br />
4. REFERÊNCIAS<br />
BARBI, Ivo; MARTINS, D.C. Conversores CC-CC Básicos Não Isolados. 3. Ed. Florianópolis: Do Autor, 2008.<br />
ERICKSON, Robert W; MAKSIMOVIC, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. Massachusetts: 3.ed. New York:<br />
Kluwer Aca<strong>de</strong>mic, 2008.
D AE L T – D e p a r t a m e n t o A c a d ê m i c o d e E l e t r o t é c n i c a / U T F P R – U n i v e r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á<br />
FUEL Cell. Wikipedia, The Free Encyclopedia. Disponível em: < http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell>. Acesso em<br />
27 mai. 2011.<br />
GULES, Roger et al. Multifase Voltage Multiplier Cells Applied to Non-Isolated DC-DC Converters. IEEE<br />
Transactions on Power Electronics, 2008.<br />
LI, Wuhua; HE, Xiangning. A Review of Non-Isolated High Step-Up DC/DC Converters in Renewable Energy<br />
Applications. IEEE, 2010.<br />
RASHID, Muhammad H. Power Electronics Handbook - Circuits, Devices and Applications.2. ed. Burlington, US:<br />
Elsevier, 2008.<br />
WAI, R.J.; DUAN, R.I. High-efficiency DC/DC converter with high voltage gain. IEEE, 2005.<br />
ZHAO, Qun; LEE, Fred C. High-Efficiency, High Step-Up DC-DC Converters. IEEE, 2003.<br />
5. DIREITOS AUTORAIS<br />
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.