UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROJETO DE GRADUAÇÃO

CONVERSOR BUCK COMO INTERFACE ENTRE PAINÉIS SOLARES E BANCO DE BATERIAS

HIALINA LIMA DO NASCIMENTO

VITÓRIA – ES JULHO/ 2006

HIALINA LIMA DO NASCIMENTO

CONVERSOR BUCK COMO INTERFACE ENTRE PAINÉIS SOLARES E BANCO DE BATERIAS

Parte manuscrita do Projeto de Graduação da

aluna Hialina Lima do Nascimento,

apresentado ao Departamento de Engenharia

Elétrica do Centro Tecnológico da

Universidade Federal do Espírito Santo, para

obtenção do grau de Engenheira Eletricista.

VITÓRIA – ES JULHO/ 2006

HIALINA LIMA DO NASCIMENTO

CONVERSOR BUCK COMO INTERFACE ENTRE PAINÉIS SOLARES E BANCO DE BATERIAS

COMISSÃO EXAMINADORA: ___________________________________ Prof. Dr. Domingos Sávio Lyrio Simonetti Orientador ___________________________________ Profa. Dra. Jussara Farias Fardin Examinadora ___________________________________ Prof. Dr. Paulo José Mello Menegáz Examinador

Vitória, ES, 13 de julho de 2006.

i

Dedicatória

À minha mãe.

ii

Agradecimentos

Ao Prof. Domingos.

Aos amigos do LEPAC, especialmente ao Joca e T. Lima.

Aos amigos da Engenharia.

A Tarcísio, sempre pronto para me ajudar.

E a todos que de alguma forma estiveram comigo nesta empreitada.

iii

Lista de Figuras

Figura 1: Esquema geral desejado. ............................................................................................. 8

Figura 2: Característica tensão x corrente típica de célula solar. ............................................... 9

Figura 3: Painéis solares em associação série-paralelo. ........................................................... 10

Figura 4: Característica elétrica típica de painel solar. ............................................................ 10

Figura 5: Comportamento da potência disponível no painel solar com variação de

luminosidade (1pu= caso - base). ..................................................................................... 11

Figura 6: Comportamento da potência disponível no painel solar com variação da

temperatura. ...................................................................................................................... 11

Figura 7: Carregador de baterias com interface de adaptação. ................................................ 12

Figura 8: Conversor CC-CC Buck. .......................................................................................... 15

Figura 9: Conversor CC-CC Buck, no período de tON. ............................................................ 15

Figura 10: Gráfico simplificado da corrente sobre o Mbuck. ..................................................... 18

Figura 11: Forma de onda da corrente no D1 simplificada. ..................................................... 19

Figura 12: Circuito auxiliar do IR2101. ................................................................................... 20

Figura 13: Circuito de amostragem do sinal de corrente. ........................................................ 21

Figura 14: Circuito de amostragem do sinal de tensão. ........................................................... 23

Figura 15: Circuito simulado para verificação. ........................................................................ 26

Figura 16: (a) Tensão no painel; (b) Tensão na carga;. ............................................................ 27

Figura 17: (a) Corrente no capacitor de entrada – C1; (b) Corrente no indutor - Lb; (c) Corrente

na fonte de corrente. ......................................................................................................... 27

Figura 18: (a) Corrente de dreno no MOSFET - ID; (b) Tensão de fonte para dreno no

MOSFET - VDS. ................................................................................................................ 28

Figura 19: (a) Tensão de saída disponibilizada ao microcontrolador - VBAT; (b) tensão sobre a

resistência de carga (RBAT). .............................................................................................. 28

Figura 20: (a) Tensão de saída para leitura de corrente - IBAT; (b) Tensão sobre RSHUNT. ....... 29

Figura 21: Fotos tiradas da placa de circuito impresso montada. ............................................ 30

Figura 22: (canal 1) VGS -15,4V de amplitude; (canal 2) VDS - 26V de amplitude. ................ 30

Figura 23: (canal 1) VDS; (canal 2)ILb. ..................................................................................... 31

Figura 24: (canal 1) VDS; (canal 2) VD1. ................................................................................... 31

Figura 25: (canal 1) Tensão de amostragem para ILb; (canal 2) ILb. ......................................... 32

Figura 26: (a) Tensão de amostragem para VBAT; (b) VBAT. .................................................... 32

iv

Sumário

DEDICATÓRIA ........................................................................................................................ I

AGRADECIMENTOS ............................................................................................................ II

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................III

SUMÁRIO ............................................................................................................................... IV

RESUMO ................................................................................................................................ VI

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 7

2 CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS .................................... 9

2.1 CONCEITOS GERAIS ..................................................................................................... 9

2.2 CARACTERÍSTICA TENSÃO X POTÊNCIA DOS PAINÉIS ................................................ 10

3 O CONVERSOR ............................................................................................................ 13

3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ......................................................................................... 13

3.2 SELEÇÃO DO CONVERSOR ......................................................................................... 13

3.3 PROJETO .................................................................................................................... 14

3.3.1 Premissas do Projeto ........................................................................................... 14

3.3.2 Dados do projeto .................................................................................................. 14

3.3.3 Cálculos ................................................................................................................ 15

3.3.3.1 O Indutor ...................................................................................................... 15

3.3.3.2 Os Capacitores .............................................................................................. 16

3.3.3.3 O Interruptor (MOSFET) ............................................................................. 18

3.3.3.4 O Diodo ........................................................................................................ 19

3.3.3.5 Acionamento do Interruptor ......................................................................... 20

3.3.3.6 Amostra de Tensão e Corrente do Circuito .................................................. 21

3.3.3.7 Projeto do Indutor ......................................................................................... 23

3.3.4 Componentes Escolhidos ...................................................................................... 25

4 SIMULAÇÕES ............................................................................................................... 26

5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ............................................................................ 30

5.1 OS RESULTADOS DOS TESTES .................................................................................... 30

6 CONCLUSÕES .............................................................................................................. 33

v

6.1 CONCLUSÕES DO TRABALHO ..................................................................................... 33

6.2 PROPOSTAS DE CONTINUIDADE ................................................................................. 34

APÊNDICE A ......................................................................................................................... 35

APÊNDICE B ......................................................................................................................... 37

APÊNDICE C ......................................................................................................................... 39

APÊNDICE D ......................................................................................................................... 44

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 45

vi

Resumo

Baseado na necessidade de se diversificar a matriz energética e na busca por fontes

de energia menos poluentes, o trabalho apresentou o projeto de um conversor CC-CC Buck

como interface entre painéis solares e banco de baterias. O conversor é colocado com o

objetivo de melhorar o aproveitamento energético do painel solar. Este projeto compreende a

simulação, montagem e testes dos circuitos que compreendem o sistema de interface.

7

1 Introdução

Sabe-se que grande parte dos esforços de estudos científicos acerca de fontes

alternativas de energia é a tônica do momento. É preciso cada vez mais pensar em diversificar

nossa matriz energética e, além disso, buscar fontes de energia menos poluentes, a fim buscar

uma sociedade ecologicamente sustentável. Por esses e outros tantos motivos é de suma

importância a necessidade de se estudar um melhor aproveitamento destas fontes de energia.

As células fotovoltaicas são exemplo deste tipo de fonte de energia alternativa,

transformando energia solar em energia elétrica. A forma mais simples de aproveitar esta

energia é acoplar ao conjunto de painéis solares um banco de baterias. Esse acoplamento pode

ser feito simplesmente por um dispositivo unidirecional de corrente, um diodo, que possui a

única função de impedir que alguma corrente reversa (do banco de baterias para os painéis

solares) danifique alguma parte dos painéis. Porém, o uso do diodo faz com que o sistema

esteja “projetado” para apenas uma região da característica VxI do painel solar, fazendo com

que o aproveitamento energético do painel seja pouco satisfatório.

A proposta deste trabalho é desenvolver um sistema que se adapte ao conjunto

painel-bateria de forma a obter o maior aproveitamento energético possível, pois a

característica VxI do painel varia de acordo com a insolação e a temperatura ambiente. A

interface será um conversor eletrônico controlado que fará o casamento das tensões do painel

solar e baterias, para que o sistema esteja na região de máxima potência. Deve-se deixar claro

que não faz parte do escopo do trabalho a procura deste ponto ótimo de operação do conjunto:

nos compete fornecer ao sistema de controle os valores de tensão e corrente escalonados

conforme o conversor A/D disponibilizado, e receber do sistema o sinal de comando do

conversor (ton=d.Ts).

A Figura 1 mostra o esquema geral da implementação, onde o desenvolvimento aqui

apresentado cabe ao conversor CC-CC, incluindo as leituras de tensão e corrente para

informar ao microcontrolador (μC).

8

Figura 1: Esquema geral desejado.

9

2 Características das Células Fotovoltaicas

2.1 Conceitos Gerais

O aproveitamento elétrico de energia solar tem-se propagado bastante nos últimos

tempos, limitado basicamente pelo custo do painel. A energia solar tem como apelo a

abundância e gratuidade, porém com a deficiência de só ser diurna e dependente de condições

climáticas [1].

A tecnologia dos painéis solares tem produzido módulos cujo rendimento em termos

de energia incidente é de 10% a 15% nos módulos mais simples, chegando a 25% nos

módulos mais sofisticados e caros. Todos estes aspectos ressaltam a importância de obter-se

sempre o máximo de aproveitamento energético dos painéis solares.

O funcionamento dos painéis solares baseia-se na liberação de elétrons em estruturas

policristalinas semicondutoras (junção pn) quando recebem energia suficiente de fótons

incidentes da luz solar.

A característica de uma célula solar é fornecer em seus terminais uma corrente

praticamente constante desde a condição de curto-circuito (ISC) em seus terminais, até o ponto

em que a tensão externa aplicada começa a polarizar a junção pn (diodo intrínseco). A partir

de então, aumentar a tensão implica em polarizar mais fortemente o diodo intrínseco da

célula, que absorve mais elétrons dos liberados pela estrutura e conseqüentemente reduz

aqueles disponibilizados na saída. Com o aumento da tensão a corrente cai drasticamente até

alcançar a tensão de circuito aberto (Voc), em que não há circulação de corrente. A Figura 2

mostra a característica típica de uma célula fotoelétrica. A característica tensão-corrente sofre

a influência da irradiação no painel (curva ii) e da temperatura da célula (curva iii).

I

V

iii

i

ii

i) luz = 1pu, T = 30oC

ii) luz =0,5pu, T = 30oC

iii) luz = 1pu, T = 70oC

Figura 2: Característica tensão x corrente típica de célula solar.

10

Painéis solares são constituídos de associações em série-paralelo de células, em

função da sua potência nominal, podendo também os painéis serem associados em série-

paralelo, conforme a necessidade, como representados na Figura 3. Painéis conectados em

paralelo são comandados pelo de menor tensão (por exemplo, painel sujo ou com região de

sombra), e aqueles conectados em série são comandados pelo de menor corrente.

Figura 3: Painéis solares em associação série-paralelo.

2.2 Característica Tensão x Potência dos Painéis

A potência elétrica que pode ser extraída do painel solar depende do ponto de

operação que se consegue impor ao painel. A Figura 4 mostra a curva típica corrente x tensão

e potência x tensão de um painel solar.

P

I, P

V

I

corrente constante tensão constante

~Pmax

Vbaixo Valto

Figura 4: Característica elétrica típica de painel solar.

O comportamento típico da disponibilidade de potência do painel com níveis

diferentes de insolação (mesma temperatura) pode ser visto na Figura 5, enquanto a Figura 6

ilustra a variação de potência para 3 temperaturas diferentes (mesma insolação).

11

P (1pu)

P

V

P (0,75pu)

P (0,5pu)

Figura 5: Comportamento da potência disponível no painel solar com variação de luminosidade (1pu=

caso - base).

Pode-se visualizar em tais figuras que a região de máxima potência disponível

aproximadamente constante desloca-se no plano PV conforme as condições locais.

P (25oC)

P

V

P (50oC)

P (75oC)

Figura 6: Comportamento da potência disponível no painel solar com variação da temperatura.

Um aproveitamento energético mais eficiente é efetuado se, entre o painel e a carga

alimentada, é inserida uma interface de adaptação de características. A interface, na realidade,

é um conversor eletrônico, que faz o casamento de tensão entre o painel solar e a carga, de

forma a estar sempre na região de máxima potência [2].

Usualmente os painéis são usados para carregar baterias (Figura 7), empregando um

conversor PWM, e alguma técnica de localização de máxima potência do painel solar (MPPT

– Maximum Power Point Tracking) - em geral perturba&observa ou condutância incremental

[3]. O sistema completo que está sendo implementado emprega a técnica perturba&observa

[4].

12

Painel

Células

Interface deadaptação

Bater BaterBaterBateria

BaterBateria

Barramento

+-

Figura 7: Carregador de baterias com interface de adaptação.

13

3 O Conversor

3.1 Considerações Iniciais

A topologia dos conversores CC-CC utilizadas são as mais variadas, pois depende da

relação de tensão imposta pelo conjunto painel-carga. Nos exemplos de carga de bancos de

baterias encontrados na literatura ([4], [5] e [6]), as topologias variam de conversores Buck,

Boost, Sepic ou Ćuk. Quando é necessário fazer um isolamento entre a carga e o resto do

circuito, usam-se as topologias isoladas, em geral flyback.

No que diz respeito ao controle dos conversores, pode-se dizer que uma gama

variada de estratégias é adotada. Há trabalhos [5] que usam controladores PID, que se

demonstraram com bom rendimento, boa regulação e fácil manuseio. Existem outros

trabalhos que adotaram lógica Fuzzy e redes neurais como controle ([7] e [8]).

O uso do método perturba&observa foi visto em alguns trabalhos ([4], [5] e [9]), e é

considerado um algoritmo computacional simples de se utilizar.

3.2 Seleção do Conversor

Para escolher o tipo de conversor para este trabalho é preciso levar em conta as

características de tensão dos equipamentos que se deseja fazer a interface. O conversor CC-

CC nada mais é que um “transformador” de corrente contínua (se é possível dizer algo deste

tipo!), ele é necessário, pois garante um aproveitamento energético no sistema muito maior,

tornando todo o conjunto mais eficiente.

O conjunto de painéis previsto deverá ser ligado em paralelo. A característica dos

painéis solares usuais é de tensão de circuito aberto de 21 V, e uma tensão de máxima

potência em torno de 17 V (Apêndice A). A bateria será considerada descarregada todo início

de dia, com uma tensão de 8 V.

Como o valor de tensão do conjunto de painéis deverá ser sempre maior que a tensão

na bateria nas situações avaliadas, viu-se que era necessário um conversor abaixador de

tensão. A topologia escolhida foi de um conversor CC-CC Buck, por se tratar de uma

topologia de simples construção.

14

3.3 Projeto

3.3.1 Premissas do Projeto

Diante do fato de que as características da bateria e do painel solar a serem usados já

eram conhecidas, a primeira ação a ser tomada para projetar o conversor foi prever qual seria

a situação mais crítica sofrida pelo conjunto bateria-painel. Essa situação ocorre quando há a

máxima insolação sobre o painel solar no mesmo instante em que a bateria está

completamente descarregada. Logo, todo o circuito foi projetado considerando este cenário.

Outro fator levado em consideração foi a máxima corrente que a bateria poderia

suportar ao ser carregada. Isso é importante para projetar uma malha de corrente que venha a

proteger o circuito do conversor bem como a bateria. Este fator também limitou qual a

potência máxima que a bateria poderia requerer do painel solar, bem como o número de

painéis necessários para prover esta potência.

Finalmente, outra consideração a ser feita foi a freqüência de operação do circuito,

que deveria ser alta o bastante para não haver ruído audível, mas não tão alta de forma a não

aumentar as perdas de potência por comutação.

3.3.2 Dados do projeto

O projeto se baseou na seguinte característica da bateria a ser carregada:

• Tensão nominal: 12 V, 80 Ah;

• Tipo: automotiva;

• Tensões mínima e máxima da bateria: 8 a 14,1 V.

Baterias do tipo automotivas podem ser carregadas sem monitoramento de

temperatura desde que seja efetuada carga lenta [10]. A recomendação é carregar com uma

corrente de 10 % da carga total em uma hora, no caso 8 A. Como a disponibilidade solar é

variável ao longo do dia, optou-se por permitir uma carga com até 50 % a mais de corrente,

no caso 12 A, para melhor aproveitamento solar, em caso de baixa carga na bateria (8 V).

Assim:

• Pbateria=8 Vx12 A≈100 W;

• Painel solar: 2 x 50W (paralelo), 21 V (circuito aberto).

As características gerais adotadas para o circuito foram:

• Freqüência de operação: 20 kHz;

• Variação da corrente: ΔI%= 20%, para potência nominal;

15

3.3.3 Cálculos

Dado o circuito do conversor (Figura 8) e suas características principais, é possível

dimensionar cada componente através do cálculo de seus caracteres mais importantes, como

correntes média e eficaz, tensão de operação, tempo de comutação.

D1

MBUCK

C1 C2

Lb

PV

Bateria

Comando(PWM)

Figura 8: Conversor CC-CC Buck.

3.3.3.1 O Indutor

O primeiro cálculo a ser feito é da indutância do indutor Lb. Com a chave (Mbuck)

ligada, o circuito fica da seguinte forma:

C1 C2

Lb

PV

Bateria

Figura 9: Conversor CC-CC Buck, no período de tON.

Dada a equação (1) de tensão em um indutor,

tiLv

dtdiLv

ΔΔ⋅=∴⋅= (1)

Tem-se,

vitL ⋅

ΔΔ

= (2)

Considerando a situação extrema que o circuito pode operar, que é quando o painel

está com nível de insolação máxima e a bateria descarregada (8 V), tem-se a seguinte

situação:

16

• Tensão de máxima potência do painel: Vi= 16,7 V; (Apêndice A)

• Tensão da bateria descarregada: Vo= 8 V.

Desta forma é possível calcular o ciclo de trabalho,

i

o

VV

d = (3)

479,07,16

8=∴= dd

Considerando os dados acima mais a freqüência de operação, calcula-se a indutância

do circuito,

0.2bLi IΔ = ⋅ (4)

oi VVv −= (5)

sON f

dttt 1⋅=Δ∴=Δ (6)

Substituindo as equações (4), (5) e (6) na equação (2) tem-se:

HLL bb μ8,86122,0

)200001(479,0)87,16(=∴

⋅⋅⋅−

=

3.3.3.2 Os Capacitores

Como o ponto de máxima potência do painel está relacionado a uma corrente

fornecida constante, e como o conversor Buck solicita na entrada uma corrente pulsante, faz-

se necessária a inclusão de um capacitor em paralelo com o painel solar. Assim, o capacitor

C1 fica responsável pela parte alternada da corrente de entrada do conversor, permitindo ao

painel operar com uma corrente estabilizada.

O valor numérico do capacitor C1 pode ser obtido levando em consideração que ele é

responsável pela metade da corrente que irá passar pela chave (Mbuck), ou seja, 6 A (na

potência máxima o painel deve entregar aproximadamente 6 A ao circuito, constante). Pela

equação (7) da corrente no capacitor,

tvCi

dtdvCi CC Δ

Δ⋅=∴⋅= (7)

Substituindo a equação (6) na (7) e arranjando a equação,

vfdi

CS

C

Δ⋅⋅

=1 (8)

17

Sabendo que:

6Ci A=

E adotando que o dmáx ocorrerá quando a tensão no painel estiver em 16,7 V ao

mesmo tempo em que a bateria estiver completamente carregada (14,1 V), seu valor será

aproximadamente:

0,9máxd = E, considerando admissível que haja uma variação de tensão de 2 V no capacitor.

Logo:

1 16 0,9 135

20000 2C C Fμ⋅

= ∴ =⋅

O capacitor C2 é um capacitor de filtro, que cria um caminho de curto para a parte

alternada da corrente de saída, circulando na bateria a parte constante. A maneira de obter seu

valor numérico foi empregando a equação que segue, conforme a referência bibliográfica [11]

(apesar de não ser o mesmo tipo de carga, a equação mostrou-se adequada).

C

L

Vfi

CΔ⋅⋅⋅

Δ=

π2 (9)

Sabendo que,

2,4Li AΔ =

kHzff s 20==

)(025,0 ãoconsideraçVV OutC ⋅=Δ

Fazendo as substituições necessárias em (9), o valor da capacitância obtida foi,

FC μπ

49,958025,010202

4,232 =

⋅⋅⋅⋅⋅=

18

3.3.3.3 O Interruptor (MOSFET)

O cálculo das características de tensão e corrente do interruptor baseou-se no

momento onde o circuito como um todo é mais exigido. Para os cálculos foi considerado o

seguinte perfil de corrente que passa no interruptor, apresentado na Figura 10:

Cor

rent

e [A

]

T

T ON

Figura 10: Gráfico simplificado da corrente sobre o Mbuck.

As equações de corrente média (10) e eficaz (11) são:

∫=t

MED fT

I0

)(1 τ (10)

∫=t

EF dfT

I0

2 )(1 ττ (11)

Ao utilizar as equações para obter as correntes média e eficaz no Mbuck, temos a

seguintes expressões, todas em função da razão cíclica do conversor:

( ) 12buckMEDMI d d= ⋅ (12)

( ) 12buckEFMI d d= ⋅ (13)

Logo, os valores de corrente para o pior caso serão para dmáx (0,9 - o mesmo de C1).

Daí,

10,8buckMEDMI A=

11,384buckEFMI A=

Para um conversor Buck, a máxima tensão sobre o MOSFET vale:

OC21 V (V do painel solar)máxDS inV V= =

19

3.3.3.4 O Diodo

Da mesma forma que no interruptor, foram calculados as correntes média e eficaz do

diodo (D1 - Figura 8). Para o D1 temos a seguinte forma de onda da corrente:

Figura 11: Forma de onda da corrente no D1 simplificada.

A partir das mesmas equações utilizadas para o MOSFET, equações (10) e (11),

temos a expressão das correntes em função da razão cíclica:

1( ) 12 (1 )

MEDDI d d= ⋅ − (14)

1( ) 12 1

EFDI d d= ⋅ − (15)

Para o pior caso, temos:

0,479máxd = Assim:

16,252

MEDDI A= 1

8,662EFDI A=

A máxima tensão reversa sobre o diodo é:

OC21 V (V do painel solar)máxDS inV V= =

20

3.3.3.5 Acionamento do Interruptor

Foi necessário utilizar um circuito auxiliar para acionar o MOSFET, pois era preciso

criar um referencial de terra para o sinal de polarização do dispositivo. A escolha do gate

drive baseou-se nas características dos dispositivos já calculados anteriormente (Mbuck, D1). O

CI escolhido foi o IR2101 (Apêndice C), e seu circuito auxiliar (Figura 12) possui apenas um

componente a ser calculado, o capacitor C.

Figura 12: Circuito auxiliar do IR2101.

O valor numérico do capacitor C é regido pela seguinte equação [12]:

( ) ( )2 2 qbs máx Cbs leakg ls

cc f LS Mín

I IQ Q

f fC

V V V V

⎡ ⎤⋅ ⋅ + + +⎢ ⎥⎣ ⎦≥

− − − (16)

Considerando os dados que se seguem e os substituindo em (16):

20 ;sf f kHz= =

110 ;gQ nC= (Apêndice B)

5 ;lsQ nC= [12]

15 ; 1 ; 1 ; 10 ;cc f LS MínV V V V V V V V= = = =

( ) 55 ;qbs máxI Aμ= (Apêndice C)

( ) 0.Cbs leakIf

69 9

355 102 2 110 10 5 1020 10

75,9215 1 1 10

C nF

−− −⎡ ⎤⋅

⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅⎢ ⎥⋅⎣ ⎦≥ ≥− − −

21

3.3.3.6 Amostra de Tensão e Corrente do Circuito

Tanto a tensão na bateria quanto a corrente no indutor necessitam serem amostradas

para que seja feito o controle do conversor, ou seja, atribuição da razão cíclica em que o

circuito deve operar.

Na malha de corrente foi usado um resistor de pequeno valor (Rshunt – Figura 13)

como “sensor de corrente”, junto a ele foi adicionado um amplificador diferencial, que tem

como objetivo adequar a grandeza física de forma a transformar a pequena queda de tensão

sobre o resistor em algo entre 0 e 5 V para que o microcontrolador possa usar o sinal como

uma variável do algoritmo de controle. Os capacitores do circuito têm a função de filtrar

sinais de alta freqüência do sinal amostrado, já que o conversor foi dimensionado para uma

variação de corrente de 20 % (filtro passa-baixas).

Figura 13: Circuito de amostragem do sinal de corrente.

Na amostra de corrente foi usado um amplificador diferencial com um ganho de

tensão tal que fizesse com que o equivalente em tensão da corrente máxima sobre indutor

tivesse um valor de 5 V, ou seja,

IRV SHUNTSHUNT ⋅= (17) Como,

AI máx 12=

Ω= 01,0SHUNTR

VVSHUNT 12,001,012 =⋅=

22

Logo o ganho CC do amplificador será de,

67,4112,05

===I

O

VV

G

Desta forma foi escolhida uma dupla de resistores (RA e RSA - Figura 13), que

resultasse num ganho bem próximo do valor calculado. Foram eles:

Ω=Ω=kR

kR

SA

A

5,4713,1

De posse destes valores foi possível saber a freqüência de corte do filtro passa-

baixas, uma vez que o capacitor a ser usado também já havia sido escolhido. A freqüência de

corte pode ser calculada através da seguinte equação:

CRf C ⋅

=1 (18)

Onde,

Ω== kRR SA 5,47 ;

.470nFCC A ==

Substituindo os valores na equação (18),

3 9

1 44,7947,5 10 470 10Cf Hz−= =

⋅ ⋅ ⋅

Ainda foi colocado um diodo zener de 5,1 V para limitar a tensão na entrada do

microcontrolador, de forma a protegê-lo de qualquer sobretensão que venha a ocorrer.

A malha de tensão (Figura 14) foi dimensionada apenas para adequar os valores de

tensão da saída da bateria para limites de tensão impostos pelo microcontrolador, utilizou-se

um divisor de tensão em paralelo com a bateria. Ainda foi acrescentado um outro

amplificador diferencial, desta vez com ganho unitário. O amplificador tem a função de

referenciar o valor de tensão do divisor de tensão ao terra do circuito, já que a inclusão do

Rshunt fez com que a bateria não estivesse mais conectada ao terra.

23

Figura 14: Circuito de amostragem do sinal de tensão.

O amplificador de tensão deve possuir um ganho unitário, por isso só era necessário

o calculo do divisor de tensão de tal forma que fizesse com qual a tensão amostrada variasse

de 0 a 5 V ( nível de tensão suportado pelo microcontrolador). Considerando que a máxima

tensão admissível sobre a bateria será 15 V, a relação numérica das resistências equivalentes

do divisor de tensão deve ser de 1/3. Levando em consideração a disponibilidade de valores

de resistores, foram escolhidos os seguintes resistores:

Ω=Ω=

kRkR

V

DV

53.94,12

Da mesma forma que na amostragem de corrente, foi colocado um diodo zener de

5,1 V na saída do amplificador operacional.

3.3.3.7 Projeto do Indutor

Uma vez calculado o valor numérico do indutor, faz-se necessário fazer os cálculos

referentes à confecção do componente. Os cálculos que seguem expressam as escolhas

pertinentes às partes que integram um indutor. A referência [11] foi utilizada para os cálculos

que seguem.

Primeiramente, foi calculado o produto da área efetiva da perna central do núcleo e a

área da janela onde está situado o enrolamento.

pk EFe w

máx máx

L I IA A

k B J⋅ ⋅

⋅ =⋅ ⋅

(19)

24

Onde,

eA = área efetiva da perna central do núcleo;

wA = área da janela (onde está situado o enrolamento);

=k fator de enrolamento;

=pkI valor de pico da corrente.

Sabendo que os valores considerados para o circuito são,

0,3máxB Tesla=

2/450 cmAJ máx =

)(7,0 típicok =

HLL b μ8,86==

AIII medpk 2,1324,212

2=+=

Δ+=

1

2 2

2 212 (1 ) 12 144 (1 ) 144 144

12 A

EF buckEFEF D M

EF

EF

I I I

I d d d d

I

= +

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= ⋅ − + ⋅ = ⋅ − + ⋅ =⎣ ⎦ ⎣ ⎦=

Logo, 6

4 486,8 10 13,2 12 10 1, 4550,7 0,3 450e wA A cm

−⋅ ⋅ ⋅⋅ = ⋅ =

⋅ ⋅

A partir deste produto (Ae.Aw) foi escolhido o provável núcleo para construir o

indutor, no caso o núcleo da Thornton do tipo NEE-42/15/21. Seus parâmetros de área são:

⎪⎩

⎪⎨⎧

=⋅

==2

22

48,2

57,1;81,1

cmAA

cmAcmA

we

we

Logo, este núcleo pode ser usado como uma primeira experiência. Desta forma é

possível calcular o número de espiras necessárias para o indutor. Foi usada a seguinte equação

[11]:

410)(⋅

⋅

⋅=

cmABIL

Ne

pk (20)

Substituindo os valores,

espirasN 03,211081,13,0

2,13108,86 46

=⋅⋅

⋅⋅=

−

25

Para a corrente requerida pelo circuito, a bitola do fio deve ser 13 AWG. Por

disponibilidade e até mesmo facilidade de manuseio foi preferível mudar para 3 fios de

18 AWG em paralelo, considerando a área equivalente.

Além disso, foi possível calcular o entreferro do núcleo [11]. Aproximando a

relutância equivalente do indutor à do entreferro tem-se,

][ 10)( 20

2

cmL

cmANl e

g−⋅

⋅⋅=

μ (21)

Onde,

H/m 104 70

−⋅⋅= πμ

Substituindo os valores na equação (21), 2 7

26

21 4 10 1,81 10 0,116 86,8 10gl cmπ −

−−

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ =

⋅

3.3.4 Componentes Escolhidos

Como já definido pelas premissas de projeto, a escolha de cada componente se

baseou no cálculo de suas características principais num caso extremo previsto pelo projeto.

Além disso, trabalhar com os componentes que já existiam no laboratório (LEPAC), ou seja,

aliados aos dados numéricos e à disponibilidade de componentes foram escolhidos os

componentes com valores mais próximos do calculado.

São eles:

• Capacitores: C1 = 100 μF e C2= 100μF;

• Indutor: Lb = 86,8 μH (confeccionado);

• MOSFET: Mbuck= IRFZ48;

• Diodos: D= BYW29-200;

• Gate drive: IR2101;

• Amplificadores Operacionais: TL071;

• Resistores de precisão de valores variados;

• Capacitores de filtro: 1μF, 470μF;

• Diodos Zener: 5,1V.

26

4 Simulações

Com o objetivo de validar os valores de componentes calculados, efetuou-se uma

simulação em malha aberta para a condição de pior caso. O software utilizado foi o PSPICE.

O painel solar foi substituído por uma fonte de corrente de 5,76 A, e o consumo da bateria por

uma carga resistiva. A Figura 15 mostra o circuito simulado.

C1

C25.76A

Lb

RBAT

Mbuck

PWM

0.01

1.13k

1.13k

9.53k

12.4k

9.53k

9.53k

9.53k

9.53k

47.5k

47.5k470n

470n

TL071

TL071D1

DZ5.1V

DZ5.1V

100

100100u

100u

Figura 15: Circuito simulado para verificação.

Serão mostrados os resultados em regime, em poucos ciclos de comutação. A Figura

16 mostra a tensão na fonte de corrente e a tensão na carga.

27

Figura 16: (a) Tensão no painel; (b) Tensão na carga;.

A Figura 17 mostra as correntes no indutor de saída, no capacitor de entrada e da

fonte de corrente. Já a tensão e corrente no MOSFET podem ser vistos na Figura 18.

Figura 17: (a) Corrente no capacitor de entrada – C1; (b) Corrente no indutor - Lb;

(c) Corrente na fonte de corrente.

28

Figura 18: (a) Corrente de dreno no MOSFET -

ID; (b) Tensão de fonte para dreno no MOSFET - VDS.

As Figura 19 e Figura 20 mostram, respectivamente, a tensão sobre a resistência de

carga e a tensão disponibilizada ao μc (saída do amplificador operacional de leitura de

tensão), e a tensão no Rshunt junto com a tensão na saída do amplificador operacional de leitura

de corrente.

Figura 19: (a) Tensão de saída disponibilizada ao microcontrolador - VBAT; (b) tensão sobre a resistência

de carga (RBAT).

29

Figura 20: (a) Tensão de saída para leitura de corrente - IBAT; (b) Tensão sobre RSHUNT.

Os resultados mostram que os valores calculados são adequados.

30

5 Resultados Experimentais

5.1 Os Resultados dos Testes

O conversor projetado e simulado foi montado para comprovar que seu

funcionamento é adequado. O propósito da implementação é ter o conversor funcional para

uso em pesquisas no LEPAC. Com tal objetivo, foi confeccionada uma placa de circuito

impresso (Figura 21) usando o programa EAGLE para o roteamento das trilhas. A estratégia

adotada para o layout da placa foi de usar um plano de terra na face superior da placa e o

circuito propriamente dito na face inferior da placa. O layout da placa pode ser visto no

Apêndice D.

Figura 21: Fotos tiradas da placa de circuito impresso montada.

O primeiro ensaio foi para uma carga resistiva de aproximadamente RLOAD.= 5 Ω,

com uma tensão de saída VBAT= 12V (mas sem a bateria) e d= 0,5. As primeiras medidas

feitas foram as tensões VDS e VGS sobre o Mbuck. A Figura 22 mostra o sinal de acionamento

do interruptor (canal 1) nas situações de condução e corte.

Figura 22: (canal 1) VGS -15,4V de amplitude; (canal 2) VDS - 26V de amplitude.

31

Na Figura 23 é possível ver a tensão sobre o interruptor (VDS) junto com a corrente

sobre o indutor. Nota-se que a parte da curva de corrente crescente é de responsabilidade do

Mbuck, quando ele está conduzindo.

Figura 23: (canal 1) VDS; (canal 2)ILb.

A Figura 24 mostra as tensões sobre o diodo D1 (VKA) e o Mbuck (VDS). É clara a

alternância da condução dos dois dispositivos.

Figura 24: (canal 1) VDS; (canal 2) VD1.

Quanto às amostras de tensão e corrente para o controle através do microcontrolador,

foram obtidas as seguintes formas de onda:

32

Figura 25: (canal 1) Tensão de amostragem para ILb; (canal 2) ILb.

(a) (b)

Figura 26: (a) Tensão de amostragem para VBAT; (b) VBAT.

Na Figura 25 nota-se a relação do sinal de corrente e tensão. Porém, pelas simulações

feitas com o circuito era esperado um valor de tensão por volta de 1,5 V para este nível de

corrente amostrado. O erro na medida provavelmente advém da RSHUNT não apresentar a

resistência informada em seu corpo.

Na Figura 26 as relações de tensão se mantém como esperado nas simulações (1/3).

Ou seja, o valor amostrado da tensão na carga condiz com seu valor nominal.

33

6 Conclusões

6.1 Conclusões do Trabalho

O trabalho desenvolvido revelou diversos aspectos de projeto que devem ser

considerados com o fim de obter um funcionamento adequado da interface painel solar –

baterias.

Inicialmente, a solicitação da carga a ser alimentada definirá o conjunto de painéis

solares a ser empregado. O arranjo dos painéis incide na decisão sobre o conversor a ser

utilizado. A escolha do conversor Buck, com relação a outras topologias que podem

desempenhar o mesmo papel se dá pela simplicidade de montagem e esforços menores nos

componentes do circuito.

Quanto à freqüência de operação, era necessária uma freqüência maior que a

freqüência audível, devido aos prováveis ruídos sonoros atrapalharem o emprego do sistema

em qualquer ambiente. Como o aumento da freqüência acarretaria um aumento das perdas por

comutação, e não se utilizou nenhum circuito auxiliar de comutação suave, o valor de 20 kHz

tornou-se o mais apropriado.

Levando em consideração as simulações feitas mais os testes com o circuito na placa,

os resultados se mostraram bastante satisfatórios, apenas com uma ressalva para a amostra de

corrente do circuito (sinal de controle do microcontrolador). Uma alternativa para tentar

ajustar este erro é fazer um ajuste fino no ganho de tensão do amplificador até chegar aos

valores desejados; outra opção, esta sem alterar o circuito já montado, seria alterar as relações

de tensão e corrente no programa contido no microcontrolador.

O cuidado tomado de analisar as situações mais estressantes para cada componente

projetado, tornou a montagem e testes do experimento bem mais simplificado. Houve poucos

ajustes relativos à montagem.

34

6.2 Propostas de Continuidade

Como proposta para estudos futuros, existe a implantação de comutação suave para o

conversor, já que este era dissipativo, para obter um ganho no rendimento do circuito.

Também relacionado com o aumento do rendimento do circuito, há a possibilidade

de substituir o diodo D1 por um outro MOSFET acionado pelo sinal LIN (Apêndice C)

disponível no gate drive usado, pois mesmo usando um diodo do tipo Schottky (possui uma

queda de tensão menor) ele possui perdas maiores se comparado com a dissipação de energia

através de RDSON com o MOSFET no mesmo lugar, já que a queda de tensão se trata apenas

do produto RDSON.ID.

Outra melhoria será fazer com que a alimentação do circuito de amostragem de sinais

e controle do conversor venha do próprio painel solar.

35

Apêndice A

Especificações técnicas de um modelo de módulo solar

36

37

Apêndice B

Parte do Data Sheet do MOSFET usado

38

39

Apêndice C

Parte do Data Sheet do gate drive usado

40

41

42

43

44

Apêndice D

Layout da placa de circuito impresso

45

Referências Bibliográficas

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para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, pdf criado em 22/10/2003, acessado em

14/09/2004 em http://www.cresesb.cepel.br.

[2] Tan, B. L. e Tseng, K. J. (2003). Intelligent and Reliable Power Supply System for Small

Satellites, Proceedings of the IEEE INTELEC 2003, pags. 249-255.

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Systems, Anais, VII INDUSCON.

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Maximum Power Point Tracking Technique for Solar Panels Using a SEPIC or Cûk

Converter, IEE Transactions on Power Electronics, pags. 714-724.

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Algorithms Using an Experimental, Programmable, Maximum Power Tracking Test Bed,

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pags. 1699-1702.

[6] Mahout V. e Boitier V. (2003). Non Linear Control of a Photovoltaic Converter, acessado

em 03/2006 em http://med.ee.nd.edu/MED11/pdf/papers/t7-053.pdf.

[7] Peracaula J., Bordonau J. e Cañellas J. J.(1991). Microcomputer Control of DC/DC

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[8] Huang F., Tien D. e Or J. (1998). A Microcontroller Based Automatic Sun Tracker

Combined with a New Solar Energy Conversion Unit, International Conference on Power

Electronics Drives and Energy System fro Industrial Growth, pags. 488-492.

[9] Lima J. C., Corleta J. M., Medeiros A., Canalli V. M., Antunes F., Líbano F. B. e Dos

Reis F. S. (2000). A PIC Controller for Grid Connected PV System Using a FPGA Based

Inverter, Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on Industrial

Electronics, pags. 169-173.

[10] Noll V. (1993). “Sistema de Controle e Monitoração de Um Banco de Baterias por

Meio de Microcontrolador”. Dissertação de Mestrado – UFSC.Barbi I. (1989). Projeto de

Fontes Chaveadas. Florianópolis-SC.

[11] Barbi I. (1989). Projeto de Fontes Chaveadas. Florianópolis-SC.

46

[12] Application Notes 978. HV Floating MOS-Gate Drivers ICs. International Rectifier.

Acessado em 06/2006 em http//:www.irf.com.