RELATÓRIO FINAL DE ATIVIDADES DO ALUNO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA (IC) PIBIC/UFPE/CNPq

RELATÓRIO FINAL DE ATIVIDADES DO ALUNO DE

INICIAÇÃO CIENTÍFICA (IC) PIBIC/UFPE/CNPq

(Refere-se às atividades realizadas no período de agosto 2012 a julho 2013)

IDENTIFICAÇÃO

Nome do Orientador: Marcelo Cabral Cavalcanti

Nome do Aluno: Hélio Fernandes Moreira de Barros

Título do Projeto: Construção de protótipo do inversor fonte Z para redução da corrente de dispersão em sistemas fotovoltaicos.

RESUMO DO TRABALHO

Os avanços tecnológicos das chaves controláveis de potência abriram caminho para uma nova era da eletrônica de potência, possibilitando a produção industrial em larga escala de soluções nas mais diversas áreas da tecnologia. Uma das últimas descobertas na área de topologias de conversores CC-CA trifásicos foi o inversor fonte Z, que foi apresentado como uma possível solução às barreiras conceituais e limitações técnicas apresentadas pelos inversores trifásicos fonte de tensão. Entretanto, há uma carência no meio científico de soluções que aplicam inversores fonte Z com ênfase na redução de custos, volume, peso e perdas no processo de conversão nas mais diversas áreas. Este trabalho tem como proposta a construção de um protótipo de um inversor trifásico tipo fonte Z com diodo adicional a fim de realizar testes e obtenção de resultados experimentais feito em laboratório. A construção desse protótipo irá comprovar a capacidade de impedir a circulação de correntes de dispersão quando for aplicado no sistema fotovoltaico sem transformador.

SUMÁRIO

Introdução

Objetivos

Metodologia do Trabalho

        1. Fonte Z com diodo adicional: Topologia ZSI-D

        2. Fonte Z com chaves adicionais: Topologia ZSI-S

Resultado e discussão

        1. Simulação das topologias ZSI-D e ZSI-S

        2. Projeto do protótipo das topologias

Conclusões

Referências Bibliográficas

Dificuldades Encontradas

Atividades Paralelas Desenvolvidas pelo Aluno

INTRODUÇÃO

A busca por formas alternativas para a geração de energia tem sido uma constante nas ultimas décadas. No Brasil, a energia solar merece destaque pelo alto nível de insolação de nosso território e pelo grau de desenvolvimento já alcançado nas tecnologias de conversão para a energia elétrica. Independente do tipo de sistema fotovoltaico que está sendo utilizado, sempre será necessário o uso de um conversor CC-CA, comumente chamado de inversor, para converter a corrente continua gerada pelos painéis em corrente alternada e entregá-la à rede elétrica.

Entre os tipos de inversores, o mais comum é o inversor trifásico tipo fonte de tensão (VSI – VoltageSource Inverter), no qual a tensão de entrada CC é constante e independe da corrente solicitada pela carga, podendo ser utilizado para acionar cargas trifásicas e também escoar energia de sistemas de geração à rede de distribuição CA [1]-[5]. Entretanto, esse tipo de inversor possui uma limitação importante, pois a amplitude das tensões na saída do VSI é limitada a um valor inferior ao da tensão de barramento CC. Logo, o VSI é considerado um conversor CC-CA abaixador (buck). Para aplicações em que se desejada maiores amplitudes de tensão, é necessária à adição de um conversor CC-CC elevador (boost) em série com o VSI. Este estágio extra de conversão aumenta o custo, complexidade, diminui a eficiência e confiabilidade do sistema. Outra possível solução é a conexão de um transformador na frequência da rede na saída do VSI, permitindo a elevação de tensão. Entretanto, os sistemas fotovoltaicos sem transformador possuem uma eficiência global bem superior e também peso e volume inferiores aos sistemas com transformador.

Recentemente, uma descoberta no ramo de conversores trifásicos foi o inversor fonte Z (ZSI – Z-Source Inverter) [6], [7]. Esse tipo de inversor emprega apenas uma rede de impedância para acoplar o circuito principal do inversor à fonte de energia, permitindo a capacidade de elevar e abaixar a tensão na saída (Buck-boost), característica que não pode ser obtida no VSI.

O uso do ZSI permite a conexão à rede elétrica de sistemas fotovoltaicos sem transformador com menos painéis em serie, já que o ZSI pode trabalhar elevando o nível de tensão na saída em relação à entrada, garantindo maior eficiência e menor peso, menor volume e menor custo. Por outro lado, sistemas fotovoltaicos aterrados e sem transformador podem apresentar correntes de dispersão acima do limite da norma alemã DIN VDE 0126-1-1 [8] de 300mA eficazes. Na tentativa de reduzir a corrente de dispersão, foi aperfeiçoada no Grupo de Eletrônica de Potência e Acionamentos Elétricos (GEPAE) duas novas topologias de ZSI [9]: a primeira com diodo adicional, chamada de ZSI-D, e a segunda com chaves adicionais, chamada de ZSI-S.

Neste projeto pretende-se construir um protótipo de um ZSI-S, que com uma pequena adaptação também pode ser usado como protótipo de um ZSI-D. O protótipo servirá para comprovação de redução das correntes de dispersão em sistemas fotovoltaicos.

OBJETIVOS

O projeto tem como objetivo a construção de um protótipo de um ZSI-S (ZSI-D), a realização de testes e a obtenção de resultados de simulações e de natureza experimentais . A construção deste inversor deve comprovar a capacidade de impedir a circulação da corrente de dispersão em sistemas fotovoltaicos aterrados e sem transformador, durante a aplicação dos vetores de curto-circuito no inversor. Para que o inversor funcione corretamente técnicas de modulação por largura de pulso serão aplicadas com o objetivo de manter a tensão de modo-comum constante, com o objetivo de minimizar os valores das correntes de dispersão.

A proposta tem como objetivos específicos o projeto de:

• Placas para aquisição e condicionamento de sinais;
• Ganhos dos amplificadores operacionais das placas;
• Confecção de placas de circuito impresso;
• Circuito de potencia do ZSI-S (ZSI-D).

METODOLOGIA DO TRABALHO

A metodologia empregada no desenvolvimento do projeto tem por objetivo final a construção do sistema fotovoltaico sem transformador conectado à rede elétrica. A metodologia do projeto será da seguinte forma: inicialmente, foram estudadas as duas topologias de ZSI para sistemas fotovoltaicos sem transformador: ZSI-D e ZSI-S, focando principalmente no seu funcionamento, vantagens e desvantagens. Com base nos estudos iniciais, o inversor trifásico foi especificado e será construído.