63ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

COMPARAÇÃO ENTRE CONVERSOR PUSH-PULL E CSI TRI-STATE NO ACIONAMENTO DE UMA MOTOBOMBA TRIFÁSICA ALIMENTADA POR PAINEL FOTOVOLTAICO PARA BOMBEAMENTO E FILTRAGEM DE ÁGUA

Ruben Barros Godoy 1 Douglas Buytendorp Bizarro 2 Edson de Souza Lima Junior 2 Lean Sartori Silva 2 Marcos Roberto Oshiro 2 Vinícius Guimarães Goecks 2

1. Profº. Dr. / Orientador – Depto. De Engenharia Elétrica - UFMS 2. Depto. De Engenharia Elétrica - UFMS

INTRODUÇÃO:

A água é um recurso essencial, porém mais de 1 bilhão de seres humanos não dispõem de água nas condições adequadas para consumo. Para amenizar essa situação, propõe-se um conversor para sistema de bombeamento, o qual tem como objetivo ser utilizado em regiões sem fornecimento de água e energia. Existem no mercado produtos semelhantes ao da proposta, portanto temos como objetivo o aperfeiçoamento da tecnologia. A solução proposta é composta por um painel fotovoltaico, um conversor CC-CA e uma motobomba. A primeira topologia, chamada Push-Pull/VSI, tem dois estágios, sendo eles um conversor elevador de tensão CC/CC e um inversor trifásico de fonte de tensão. Esta topologia conta com um transformador de alta freqüência e por isso o ganho estático pode ser bem elevado. A razão cíclica (duty cycle) desta topologia é controlada por um algoritmo de MPPT baseado na tensão do link CC do Push-Pull, garantindo o uso da máxima potência fornecida pelo painel. A segunda topologia chamada CSI Tri-State é composta por apenas um estágio, podendo ser descrita como a combinação de um Boost Tri-State com um Inversor de Fonte de Corrente, apresentando um número reduzido de chaves. Neste caso, o algoritmo de máxima potência tem como variável de controle a corrente no indutor de boost.

METODOLOGIA:

Foram analisadas e simuladas no aplicativo computacional Matlab/Simulink as topologias dos conversores Boost Convencional, Quadrático e Tri-State, Push-Pull e CSI Tri-State, porém com ênfase nas duas últimas. Nestas simulações foi utilizado um modelo computacional do painel fotovoltaico que é uma função do grau de insolação, temperatura do painel e características intrínsecas do painel, fornecendo assim uma curva da tensão em função da corrente, assim como nos painéis reais. Para que o sistema funcione em potência máxima, o controle foi baseado no Método Beta de Rastreamento de Máxima Potência, que fornece uma variável escalar interpretada como razão cíclica para os conversores. Em ambos os casos a filosofia de controle foi a mesma, que analisa a potência disponível para regular a potência fornecida à carga. Portanto, a diferença entre o controle do Push-Pull/VSI e do Tri-State CSI está no fato de que no primeiro caso, o sistema de controle analisa a tensão na saída do link CC para regular a amplitude da tensão de saída do VSI, enquanto que no segundo, analisa-se a corrente no indutor de boost para regular a corrente de saída do CSI. O Tri-State CSI utiliza modulação Space Vector Modificada, já o outro conversor utiliza a modulação por largura de pulso senoidal (SPWM).

RESULTADOS:

O algoritmo de rastreamento de máxima potência atuou perfeitamente durante as simulações, garantindo que os conversores não fossem limitados pela parte de controle. No estudo do Boost Convencional observou-se que teoricamente apresenta um bom ganho, porém na prática não atinge o ganho necessário da motobomba. O Boost Quadrático é instável, pois uma pequena variação em sua razão cíclica proporciona uma variação brusca no ganho. O Boost Tri-State tornou-se inviável devido ao seu baixo rendimento se comparado às outras topologias. O ganho de conversor Push-Pull depende da razão cíclica e da relação de espiras de seu transformador, o que o torna uma boa opção. A partir da simulação pode-se observar que a tensão de saída estabiliza-se em 350 V. Já após o processo de inversão pode-se observar as três fases defasadas em 120º com pico aproximado de 311 V. A principal vantagem do CSI Tri-State é que seu estado de roda-livre elimina o problema do Zero no Semi-Plano Direito que fazia com que sua resposta se tornasse lenta. Utilizando-se de uma forma modificada da técnica de controle conhecida como Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM), foi possível sincronizar as sete chaves do conversor. Obteve-se como saída três fases defasadas de 120º entre si com pico em aproximadamente 312 V.

CONCLUSÃO:

As duas principais topologias foram comparadas e o CSI Tri-State foi o escolhido. A escolha justifica-se pelo fato do conversor possuir apenas um estágio, ao contrário do Push-Pull que possui dois, o que aperfeiçoa questões de eficiência. Também tem maiores chances de atingir os requisitos como baixo custo e com a vantagem do tamanho reduzido, pois não é necessário a utilização de um transformador. Esse diferencial é essencial para aplicações em regiões remotas ou em situações de emergência. É importante destacar que com esse projeto obteve-se êxito ao trabalhar com uma topologia inovadora denominada CSI Tri-State, o que pode representar um grande avanço à ciência e à qualidade de vida da população.

Palavras-chave: Bombeamento de Água, Push-Pull, CSI Tri-State.